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Mikromechanische Drehratensensoren: Simulation mechanischer Nichtlinearitäten sowie des Einflusses der Aufbau- und Verbindungstechnik
Get PDFDie komplexen Strukturen von MEMS-Drehratensensoren führen immer wieder zu Herausforderungen bei der Systembeschreibung. Die zunehmende Miniaturisierung der Bauteile steigert den Einfluss von mechanischen Nichtlinearitäten und AVT-Einflüssen. Daher sind ein tiefer gehendes Verständnis dieser Effekte und verbesserte Simulationsmethoden zur effizienten Entwicklung neuer Sensoren von großer Bedeutung.
In dieser Arbeit wird die TPWL-Methode, ein Ansatz für ein transientes nichtlineares ROM, vorgestellt und erfolgreich auf MEMS-Drehratensensoren angewendet. Im Fokus der Untersuchungen stehen die Implementierung der Methode und die Zeitersparnis gegenüber FE-Simulationen - diese beträgt bis zu 3 Größenordnungen. Weiterhin finden sich Untersuchungen der ROM-Daten, mit einem Schwerpunkt auf deren Interpretation, in den Ausführungen. Hierdurch werden Limitierungen, Rahmenbedingungen und Aussagekraft der Methodik aufgezeigt. Diese Erkenntnisse ermöglichen es, zukünftige Simulationen durch geeignet gewählte Parameter und Trainingsdaten effektiv aufzusetzen. Es werden TPWL-Ansätze auf Basis von POD und modaler Superposition verglichen, um systematische Vorteile der POD zu erklären. Die Validierung der Modelle erfolgt qualitativ sowie mit Messungen, analytischen und FE-Rechnungen.
Bestehende Ansätze zur Simulation von AVT-Einflüssen, mit einem Schwerpunkt auf mechanischen Stresswirkpfaden, auf MEMS-Drehratensensoren werden untersucht und erweitert. Als Basis für Package- und statische Struktursimulationen dienen FE-Modelle und für die transiente Systemsimulation ein ROM. Es stehen Verständnis und Analyse der Wirkpfade im Vordergrund. Die resultierenden Erkenntnisse werden erfolgreich in die Modelle eingebracht. Ein einfacher, dennoch aussagekräftiger Ansatz zur Abschätzung des Drehraten-Offsets gestresster Sensoren wird vorgestellt. Zudem wird ein vielversprechendes neuartiges FE-Modell zur Simulation von Die-attach- und Lötsimulationen hergeleitet. Oberflächen- und Signalmessungen von durch eine Leiterplattenbiegung gestressten Sensoren dienen zur Validierung.
Die vorgestellten Modelle werden erfolgreich validiert und können zukünftig zur Optimierung des Entwicklungsprozesses von MEMS-Drehratensensoren verwendet werden.:Abkürzungen und Symbole
I. Einführung, Grundlagen und Methoden
1. Einleitung
1.1. Hintergrund und aktuelle Entwicklung
1.2. Motivation und Zielsetzung der Arbeit
1.3. Struktur der Arbeit
2. Grundlagen MEMS
2.1. Definition der Mikrosystemtechnik
2.2. Technologie und Aufbau von MEMS Bausteinen
2.3. Funktionsprinzipien und physikalischen Grundlagen von MEMS-Gyroskopen
3. Rechenmodelle für mechanische Systeme
3.1. Analytische Rechnungen mithilfe der Balkentheorie
3.2. Finite-Elemente-Methode
3.3. Ordnungsreduktionsverfahren
3.4. Ordnungsreduzierte Systemmodelle in der Signalflusssimulation
II. Mechanische Nichtlinearitäten
4. Nichtlinearitäten in MEMS-Gyroskopen
4.1. Einleitung und Motivation
4.2. Gegenüberstellung nichtlinearer Effekte und deren Einflüsse auf MEMS-Gyroskope
4.3. Konzepte zur Vermeidung von Stress-Stiffening und deren Grenzen
5. Methoden zur Simulation mechanischer Nichtlinearitäten
5.1. Nichtlineare Effekte in der FE-Rechnung
5.2. Konzept der Trajectory Piecewise Linearization
5.3. Werkzeuge zur Implementierung eines TPWL-Verfahrens in die Systemsimulation
5.4. Generierung einer ordnungsreduzierten TPWL-Simulation von Drehratensensoren
6. Die Trajectory Piecewise Linearization in der Praxis
6.1. Beidseitig eingespannter Biegebalken in der TPWL mit POD
6.2. Die TPWL anhand eines perforierten Einmassenschwingers
6.3. Untersuchung einer stark nichtlinearen Sensorgeometrie
III. Einfluss von mechanischem Stress durch die Aufbau- und Verbindungstechnik auf Sensoren und Sensor-Packages
7. Messungen und Simulationen in der AVT
7.1. Einleitung und Motivation
7.2. Einfluss von mechanischem Stress auf die Sensorgeometrie
7.3. Schema einer Stresssimulation
7.4. Experimentelles Setup
7.5. Viskoelastische Eigenschaften in Experiment und Simulation
8. FE-Package Simulationen
8.1. Annahmen
8.2. Struktur und Inhalt einer FE-Package-Simulation
8.3. CAD-Modellierung und Vernetzung
8.4. Prozesssimulationen
8.5. Biegesimulation
8.6. Validierung durch Weißlichtinterferometrie
9. FE-Modelle von MEMS Strukturen
9.1. Transfer des AVT Stresses aus den Package Simulationen
9.2. Stresseinfluss auf Eigenfrequenzen
10.Berücksichtigung von AVT-Einflüssen in Signalflusssimulationen
10.1. Signalflussmodelle mit AVT-Einfluss
10.2. Sensormoden und Dämpfungsmatrix
10.3. Validierung der Modelle anhand des Closed-Loop Systems
10.4. Simulation des Dreikanalsensors
IV. Abschluss
11.Zusammenfassung
11.1. Mechanische Nichtlinearitäten
11.2. Einfluss der Aufbau- und Verbindungstechnik
12.Fazit und Ausblick
V. Anhang
A. Faktoren der Newmark-Integration
B. Einfluss der Samplingrate auf die Schwingungsfrequenz in einer transienten FE-Simulation
C. Ergebnisstabellen zu Kapitel 6.1
D. Einseitig eingespannter Biegebalken mit Streckbiegung
D.1. Aufbau des Systems
D.2. Systemtraining
D.3. Systemsimulation und Auswertung
D.4. Fazit
E. Modenabbildungen zu Kapitel 6.2
F. Vergleich von TPWL und linearer Ordnungsreduktion mit nichtlinearen Kräften
G. Modellbeispiel Schwingungsform
H. Mathematische Ergänzungen
I. Einfluss von Prozessparametern
Quellenangaben
Tabellenverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Danksagung
Versicherung
ThesenThe complex structures of MEMS yaw-rate sensors continuously lead to challenges in their system description. The continuing miniaturization of the components increases the effects of mechanical nonlinearities and packaging influences. Therefore, a deeper understanding of these effects and improved simulation methods are of great importance for the efficient development of new sensors.
In this work the TPWL-method, an approach for a transient nonlinear ROM, is introduced and successfully applied to MEMS yaw-rate sensors. The focal points of the study, are the implementation of the method, and the time savings compared to FE-simulations; which are up to 3 magnitudes. Furthermore, the analysis of the ROM-data with a focus on its interpretation is included. This highlights limits, boundary conditions and the informative value of the method. These insights enable the future set up of simulations effectively with appropriately chosen parameters and training data. TPWL-approaches with POD and modal superposition are compared to highlight systematic advantages of the POD. The validation of the models is realized qualitatively as well as with measurements, analytical and FE-calculations.
Existing approaches for the simulation of packaging influences with a focal point on mechanical stress root causes are studied and extended. As a baseline for package and static structure simulations FE-models are used, and for transient system simulations a ROM is used. Understanding and analysis of the root causes stand in the foreground. The resulting insights are successfully implemented into the models. A simple but significant approach for an estimation of the yaw-rate offset of stressed sensors is introduced. Additionally, a promising and new FE-model for the simulation of die attach and solder simulations is derived. Surface and signal measurements of sensors, stressed by the bending of a printed circuit board, serve for validation.
The introduced models were validated successfully and can be used in the future to optimize the development process of MEMS yaw-rate sensors.:Abkürzungen und Symbole
I. Einführung, Grundlagen und Methoden
1. Einleitung
1.1. Hintergrund und aktuelle Entwicklung
1.2. Motivation und Zielsetzung der Arbeit
1.3. Struktur der Arbeit
2. Grundlagen MEMS
2.1. Definition der Mikrosystemtechnik
2.2. Technologie und Aufbau von MEMS Bausteinen
2.3. Funktionsprinzipien und physikalischen Grundlagen von MEMS-Gyroskopen
3. Rechenmodelle für mechanische Systeme
3.1. Analytische Rechnungen mithilfe der Balkentheorie
3.2. Finite-Elemente-Methode
3.3. Ordnungsreduktionsverfahren
3.4. Ordnungsreduzierte Systemmodelle in der Signalflusssimulation
II. Mechanische Nichtlinearitäten
4. Nichtlinearitäten in MEMS-Gyroskopen
4.1. Einleitung und Motivation
4.2. Gegenüberstellung nichtlinearer Effekte und deren Einflüsse auf MEMS-Gyroskope
4.3. Konzepte zur Vermeidung von Stress-Stiffening und deren Grenzen
5. Methoden zur Simulation mechanischer Nichtlinearitäten
5.1. Nichtlineare Effekte in der FE-Rechnung
5.2. Konzept der Trajectory Piecewise Linearization
5.3. Werkzeuge zur Implementierung eines TPWL-Verfahrens in die Systemsimulation
5.4. Generierung einer ordnungsreduzierten TPWL-Simulation von Drehratensensoren
6. Die Trajectory Piecewise Linearization in der Praxis
6.1. Beidseitig eingespannter Biegebalken in der TPWL mit POD
6.2. Die TPWL anhand eines perforierten Einmassenschwingers
6.3. Untersuchung einer stark nichtlinearen Sensorgeometrie
III. Einfluss von mechanischem Stress durch die Aufbau- und Verbindungstechnik auf Sensoren und Sensor-Packages
7. Messungen und Simulationen in der AVT
7.1. Einleitung und Motivation
7.2. Einfluss von mechanischem Stress auf die Sensorgeometrie
7.3. Schema einer Stresssimulation
7.4. Experimentelles Setup
7.5. Viskoelastische Eigenschaften in Experiment und Simulation
8. FE-Package Simulationen
8.1. Annahmen
8.2. Struktur und Inhalt einer FE-Package-Simulation
8.3. CAD-Modellierung und Vernetzung
8.4. Prozesssimulationen
8.5. Biegesimulation
8.6. Validierung durch Weißlichtinterferometrie
9. FE-Modelle von MEMS Strukturen
9.1. Transfer des AVT Stresses aus den Package Simulationen
9.2. Stresseinfluss auf Eigenfrequenzen
10.Berücksichtigung von AVT-Einflüssen in Signalflusssimulationen
10.1. Signalflussmodelle mit AVT-Einfluss
10.2. Sensormoden und Dämpfungsmatrix
10.3. Validierung der Modelle anhand des Closed-Loop Systems
10.4. Simulation des Dreikanalsensors
IV. Abschluss
11.Zusammenfassung
11.1. Mechanische Nichtlinearitäten
11.2. Einfluss der Aufbau- und Verbindungstechnik
12.Fazit und Ausblick
V. Anhang
A. Faktoren der Newmark-Integration
B. Einfluss der Samplingrate auf die Schwingungsfrequenz in einer transienten FE-Simulation
C. Ergebnisstabellen zu Kapitel 6.1
D. Einseitig eingespannter Biegebalken mit Streckbiegung
D.1. Aufbau des Systems
D.2. Systemtraining
D.3. Systemsimulation und Auswertung
D.4. Fazit
E. Modenabbildungen zu Kapitel 6.2
F. Vergleich von TPWL und linearer Ordnungsreduktion mit nichtlinearen Kräften
G. Modellbeispiel Schwingungsform
H. Mathematische Ergänzungen
I. Einfluss von Prozessparametern
Quellenangaben
Tabellenverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Danksagung
Versicherung
These
Über das Zisterzienserkloster in Grünhain: Vom Aufstieg und Niedergang eines Machtknotenpunktes im Erzgebirge
Get PDFMichelle Mittag gibt in ihrem Artikel einen Einblick in die Geschichte des Klosters Grünhain und beschäftigt sich dabei insbesondere mit der Forschungsgeschichte
Untersuchung der Energiedissipationsprozesse mikromechanischer Systeme
Get PDFIm Fokus dieser Arbeit stehen Dämpfungseffekte schwingfähiger Mikroelektromechanischer Systeme (MEMS), die nach dem kapazitiven Wirkprinzip arbeiten. Die verschiedenen Dissipationsprozesse und die zugehörigen analytischen Modelle sowie numerischen Berechnungsmöglichkeiten auf physikalischer Ebene werden vorgestellt und mit eigenen experimentellen Ergebnissen verglichen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der fluidischen Dämpfung im Kontinuum und bei leichter Verdünnung, was bei den meisten kapazitiven MEMS den dominierenden Verlusteffekt darstellt.:1 Überblick
2 Grundlagen zur Beschreibung von Mikrosystemen
3 Herstellung und Charakterisierung
4 Fluidische Dämpfung
5 Weitere dissipative Effekte mikromechanischer Systeme
6 Zusammenfassung und AusblickThis thesis focuses on damping effects of vibrational micro-electromechanical systems (MEMS) with capacitive working principle. The different dissipation processes and the associated analytical models as well as numerical calculation possibilities on a physical level are presented and compared to own experimental results. The main emphasis is on fluidic damping in the continuum regime and with slight rarefaction, which is the dominant loss effect in most capacitive MEMS.:1 Überblick
2 Grundlagen zur Beschreibung von Mikrosystemen
3 Herstellung und Charakterisierung
4 Fluidische Dämpfung
5 Weitere dissipative Effekte mikromechanischer Systeme
6 Zusammenfassung und Ausblic
Die Vögte von Weida: Ein Schülertheaterstück
Get PDFWichtig ist die Beschäftigung mit dem Thema Theater für Kinder allemal. Die kreative und künstlerische Arbeit mit Texten stellt einen wichtigen Schritt in der umfassenden Bildung dar und sollte besonders in der Schule keinesfalls vernachlässigt werden.
Mit dem vorliegenden Buch sollen die Themen Mittelalter und Theater verbunden werden, um Kindern der Primarstufe und der frühen Sekundarstufe 1 einen einfachen Einstieg in die Arbeit auf und hinter der Bühne zu bieten.
Zu diesem Zweck wurde eine eine ,echte‘ mittelalterliche Schauernovelle, ,Die Vögte von Weida‘ , in den letzten Jahren im Rahmen des EU geförderten Projektes ,Kulturweg der Vögte‘ übersetzt und bearbeitet. Herausgekommen ist eine moderne Fassung des ursprünglichen Textes, die nur zu Gunsten der Spielbarkeit einige kleine Änderungen in der Handlung aufweist. Umrahmt wird dieser Text von verschiedenen Grundlagenkapiteln zur Theaterpädagogik und Bühnenbildentwürfen.:1. Einleitung
2. Einführung in das theaterpädagogische Arbeiten
3. Allgemeine Informationen zum mittelalterlichen Original
4. Hinweise zur Neuinszenierung
5. »Die Vögte von Weida« – der Grundtext
6. Rahmenhandlungen
7. Aufbau des Theaterstücks
8. Die Gestaltung des TheaterstücksThe creative and artistic work with literature is an important step in comprehensive education and should not be disregarded, especially not at school.
The book aims to combine the topics of the middle ages and theatre in order to offer children in primary and early secondary school an easy introduction to the work on stageplays.
For this purpose a real medieval novella, ,Die Vögte von Weida’, has been translated and edited as a part of the EU-funded project ,Kulturweg der Vögte’. The result is a modern version of the original text, which only shows some small changes in the plot in favor of playability. The text is framed by various basic chapters on theatre pedagogy and concept stage designs.:1. Einleitung
2. Einführung in das theaterpädagogische Arbeiten
3. Allgemeine Informationen zum mittelalterlichen Original
4. Hinweise zur Neuinszenierung
5. »Die Vögte von Weida« – der Grundtext
6. Rahmenhandlungen
7. Aufbau des Theaterstücks
8. Die Gestaltung des Theaterstück
Improvement of carbon nanotube-based field-effect transistors by cleaning and passivation
No full textEver since their discovery in 1991, carbon nanotubes are of great interest to the scientific community due to their outstanding optical, mechanical and electrical properties. Considering their impressive properties, as for instance the high current carrying capability and the possibility of ballistic charge transport, carbon nanotubes are a desired channel material in field-effect transistors, especially with respect to high frequency communication electronics. Thus, many scientific studies on CNT-based field-effect transistors have been published so far. But despite the successful verification of excellent individual electric key values, corresponding experiments are mostly performed under synthetic conditions (considering e.g. temperature or gas atmosphere), which are not realizable during realistic application scenarios. Furthermore, technologically relevant factors like homogeneity, reproducibility and yield of functioning devices are often subordinated to the achievement of a single electric record value. Hence, this work focuses on the development of a fabrication technology for carbon nanotube field-effect transistors, that takes those factors into account. Thereby, this work expands the state of the art by introduction and statistical assessment of two cleaning processes: a) wet chemical removal of surfactant residues (sodium dodecylsulfate) from CNTs, integrated using the dielectrophoretic approach, by investigation and comparison of four procedures (de-ionized water, HNO3, oDCB, Ethanol); b) the reduction of process-related substrate contaminations by application of an oxygen plasma. Beyond that, the passivation of the final, working devices is developed further, as their typical definition as diffusion barrier is expanded by the reduction of parasitic capacitances in the transistor. In this context, two so far barely considered materials, hydrogen silsesquioxane and Xdi-dcs, a polymer mixture of poly(vinylphenol) and polymethylsilsesquioxane, are investigated and assessed. The novelty of the Xdi-dcs mixture causes the necessity of fundamental considerations on controllable etching procedures and resulting adaptions of the technological fabrication sequence.:Bibliographic description 3
List of abbreviations 10
List of symbols 10
1 Introduction 13
2 Basics of carbon nanotubes 15
2.1 Structural fundamentals 15
2.1.1 Hybridization of carbon 15
2.1.2 Structure of carbon nanotubes 17
2.2 Electronic properties 19
2.2.1 Band structure of graphene 19
2.2.2 Band structure of carbon nanotubes 20
2.2.3 Electronic transport in CNTs 22
2.3 Procedures for CNT integration 23
2.3.1 Growth by chemical vapor deposition 24
2.3.2 Transfer techniques 24
2.3.3 Dispersion-related integration procedures 25
2.4 Interaction of CNT and surfactant 28
3 Basics of CNT field-effect transistors 31
3.1 Principle of operation of conventional FETs 31
3.2 Distinctive features of CNT-based FETs 32
3.2.1 Metal - semiconductor contact 33
3.2.2 Linearity 38
3.3 Performance determining factors 41
3.3.1 Device architecture 41
3.3.2 Contact geometry 46
3.3.3 Other transistor dimensions 48
3.3.4 CNT-related characteristics 49
3.4 Hysteresis in transfer characteristics 51
3.4.1 Definition of hysteresis 51
3.4.2 Origins of hysteresis 52
3.4.3 Appearance of hysteresis 53
3.5 Passivation 56
3.5.1 Requirements 56
3.5.2 Importance of pre-treatments and process conditions 57
3.5.3 Overview of established passivation materials 58
4 Experimental work 63
4.1 Transistor design 63
4.2 Technology flow 66
4.3 Experimental procedures 71
4.3.1 Procedures for dissolution of SDS 71
4.3.2 Plasma treatment against surface contaminations 72
4.3.3 Evaluation of diffusion barriers 72
4.4 Instrumentation and characterization 74
4.4.1 Dielectrophoresis instrumentation 74
4.4.2 Topographical Characterization 74
4.4.3 Chemical characterization 75
4.4.4 Electrical characterization 76
5 Reduction of hysteresis 77
5.1 Removal of surfactant molecules from CNTs 77
5.1.1 Influence on molecule and CNT chemistry 78
5.1.2 Effect on transistor performance 80
5.2 Plasma-assisted removal of substrate contaminations 87
5.2.1 Influence on substrate surface 88
5.2.2 Effect on transistor performance 92
6 Passivation 97
6.1 Protection against environmental effects 97
6.1.1 Alterability of unpassivated CNT-FETs 98
6.1.2 Effects of O2 exclusion by dense passivation 99
6.1.3 Intentional doping using Y2O3 101
6.2 Passivation considering electrostatic aspects 106
6.2.1 Integration of Xdi-dcs as novel passivation 107
6.2.2 Comparison of two spin-coated dielectrics 111
6.3 Potential of double-layer approaches 113
6.3.1 Evaluation of the gas barrier performance 113
6.3.2 Influence on the transistor behavior 116
7 Summary and Outlook 121
Danksagung 127
Appendix 129
Bibliography 137
List of figures 156
List of tables 161
Selbstständigkeitserklärung 163
8 Thesen 165
9 Curriculum vitae 169Bereits seit ihrer Entdeckung 1991 sind Kohlenstoffnanoröhren, aufgrund ihrer herausragenden optischen, mechanischen und elektrischen Eigenschaften, für die wissenschaftliche Community von großem Interesse. Ihre Verwendung als Kanalmaterial in Feld-Effekt Transistoren ist in Anbetracht ihrer außergewöhnlichen Eigenschaften, wie z. B. die hohe Stromtragfähigkeit, sowie die Möglichkeit des ballistischen Transports von Ladungsträgern besonders für die hochfrequente Kommunikationselektronik erstrebenswert. Dementsprechend viele wissenschaftliche Arbeiten befassen sich mit der Erforschung von auf Kohlenstoffnanoröhren basierenden Transistoren. Doch trotz des erfolgreichen Nachweises ausgezeichneter Werte für viele individuelle elektrische Kenngrößen, finden entsprechenden Experimente zumeist unter anwendungsfernen Bedingungen bezüglich Temperatur bzw. Gasatmosphäre statt. Darüber hinaus werden dem Erreichen eines elektrischen Rekordwertes oft technologisch relevante Größen wie Homogenität, Reproduzierbarkeit und Ausbeute an funktionsfähigen Bauteilen untergeordnet. Der Fokus dieser Arbeit liegt daher auf der Erarbeitung einer Technologie zur Herstellung Kohlenstoffnanoröhrenbasierter Feld-Effekt Transistoren, unter Berücksichtigung dieser Aspekte. Dabei erweitert diese Arbeit den Stand der Technik durch die Einführung und statistische Beurteilung zweier Reinigungsprozesse: a) der nasschemischen Beseitigung von Tensidresten (Natriumdodecylsulfat) an mittels Dielektrophorese integrierten CNTs, wobei insgesamt vier Prozeduren (de-ionisiertes Wasser, HNO3, oDCB, Ethanol) betrachtet und miteinander verglichen wurden; b) der Beseitigung von prozessbedingten Substratkontaminationen durch ein Sauerstoffplasma. Darüber hinaus wird die Passivierung der funktionsfähigen Bauelemente weiterentwickelt, indem ihre typische Definition als Diffusionsbarriere um den Aspekt der Verringerung parasitärer Kapazitäten im Transistor erweitert wird. In diesem Zusammenhang werden mit Wasserstoff-Silsesquioxane und Xdi-dcs, einem Polymergemisch aus Poly(vinylphenol) und Polymethylsilsesquioxane, zwei bislang wenig beachtete Materialien, untersucht und bewertet. Die Neuheit des Xdi-dcs Gemisches macht dabei fundamentale Untersuchungen zur Strukturierbarkeit und entsprechende technologische Anpassungen im Gesamtablauf nötig.:Bibliographic description 3
List of abbreviations 10
List of symbols 10
1 Introduction 13
2 Basics of carbon nanotubes 15
2.1 Structural fundamentals 15
2.1.1 Hybridization of carbon 15
2.1.2 Structure of carbon nanotubes 17
2.2 Electronic properties 19
2.2.1 Band structure of graphene 19
2.2.2 Band structure of carbon nanotubes 20
2.2.3 Electronic transport in CNTs 22
2.3 Procedures for CNT integration 23
2.3.1 Growth by chemical vapor deposition 24
2.3.2 Transfer techniques 24
2.3.3 Dispersion-related integration procedures 25
2.4 Interaction of CNT and surfactant 28
3 Basics of CNT field-effect transistors 31
3.1 Principle of operation of conventional FETs 31
3.2 Distinctive features of CNT-based FETs 32
3.2.1 Metal - semiconductor contact 33
3.2.2 Linearity 38
3.3 Performance determining factors 41
3.3.1 Device architecture 41
3.3.2 Contact geometry 46
3.3.3 Other transistor dimensions 48
3.3.4 CNT-related characteristics 49
3.4 Hysteresis in transfer characteristics 51
3.4.1 Definition of hysteresis 51
3.4.2 Origins of hysteresis 52
3.4.3 Appearance of hysteresis 53
3.5 Passivation 56
3.5.1 Requirements 56
3.5.2 Importance of pre-treatments and process conditions 57
3.5.3 Overview of established passivation materials 58
4 Experimental work 63
4.1 Transistor design 63
4.2 Technology flow 66
4.3 Experimental procedures 71
4.3.1 Procedures for dissolution of SDS 71
4.3.2 Plasma treatment against surface contaminations 72
4.3.3 Evaluation of diffusion barriers 72
4.4 Instrumentation and characterization 74
4.4.1 Dielectrophoresis instrumentation 74
4.4.2 Topographical Characterization 74
4.4.3 Chemical characterization 75
4.4.4 Electrical characterization 76
5 Reduction of hysteresis 77
5.1 Removal of surfactant molecules from CNTs 77
5.1.1 Influence on molecule and CNT chemistry 78
5.1.2 Effect on transistor performance 80
5.2 Plasma-assisted removal of substrate contaminations 87
5.2.1 Influence on substrate surface 88
5.2.2 Effect on transistor performance 92
6 Passivation 97
6.1 Protection against environmental effects 97
6.1.1 Alterability of unpassivated CNT-FETs 98
6.1.2 Effects of O2 exclusion by dense passivation 99
6.1.3 Intentional doping using Y2O3 101
6.2 Passivation considering electrostatic aspects 106
6.2.1 Integration of Xdi-dcs as novel passivation 107
6.2.2 Comparison of two spin-coated dielectrics 111
6.3 Potential of double-layer approaches 113
6.3.1 Evaluation of the gas barrier performance 113
6.3.2 Influence on the transistor behavior 116
7 Summary and Outlook 121
Danksagung 127
Appendix 129
Bibliography 137
List of figures 156
List of tables 161
Selbstständigkeitserklärung 163
8 Thesen 165
9 Curriculum vitae 16
Modifying naphthalene diimide copolymers for applications in thermoelectric devices
Get PDFThe aim of this thesis is to modify and improve the n-type semiconducting polymer PNDIT2 for thermoelectric generators (TEGs) applications. Although the PNDIT2 is considered a prime n-type material due to its high electron mobility, low air-stability of radical anions after doping and the low doping efficiency with molecular dopants are severe drawbacks and lead to limited application in TEGs. To this end, the backbone structure of PNDIT2 is modified by polymer analogous thionation and the branched aliphatic side chains are replaced by branched, fully oligoethylene glycol-based side chains.
PNDIT2 was prepared by DAP and subjected to various conditions of thionation. The polymer analogous thionation of PNDIT2 was done by using Lawesson´s reagent (LR). The O/S conversion was controlled by solvent, T and amount of LR. For an excess of LR, only two carbonyls out of four present in the NDI repeating unit are converted to thiocarbonyls with regioselective trans-conformation (2S-trans-PNDIT2). Chlorobenzene (CB) is an excellent solvent in which the highest O/S conversion was achieved and the best reproducibility. Tri- or tetra- substitution in one NDI repeat unit did not take place due to steric hinderance of T2 comonomer. Thionation affected all properties. The lower thermal stability, UV-vis spectra were bathochromically shifted and a new band of the thionated NDI unit appeared. Chain aggregation was stronger as probed by UV-vis and NMR spectroscopy. The LUMO energy level of 2S-trans-PNDIT2 was lowered by 0.2 eV, giving -4.0 eV. This is at the border of what is needed for air stability of radical anions. The scattering on thin films indicated lower order and less crystalline textures of 2S-trans-PNDIT2 compared to PNDIT2. Likewise, electron mobility decreased with increasing conversion.
While chapter 2 focused on the synthesis, opto-electronic and thermal properties of 2S-trans-PNDIT2, chapter 3 was concerned with details on morphology and electrical properties. To this end, 2S-trans-PNDIT2 was doped by N-DPBI in toluene at various concentrations and conductivities were determined. Undoped 2S-trans-PNDIT2 exhibited one order of magnitude higher conductivity than pristine PNDIT2. After doping with 5 wt.-% N-DPBI, the conductivity of 2S-trans-PNDIT2 increased by two orders of magnitude and reached a maximum conductivity of 6*10-3 S/cm at 15 wt.-% doping. This value was approx.5 times higher than the conductivity of PNDIT2 at the same doping level. Furthermore, the stability of conductivity of doped 2S-trans-PNDIT2 under ambient conditions was investigated and compared to PNDIT2. Upon exposure air (50 % humidity), conductivity of PNDIT2 rapidly decreased to the pristine film level, while the conductivity of 2S-trans-PNDIT2 was reduced by a factor of less than two after 16 h. While the initially higher conductivity of 2S-trans-PNDIT2 is ascribed to its less crystalline structure and thus higher doping efficacy, its better stability can be ascribed to the lower LUMO energy level.
The topic of chapter 4 is on the synthesis of fully ether-based, polar and branched side chains (EO) and introduction into PNDIT2. The advantages of polar side chains over aliphatic side chains have been reported. However, previously reported PNDIT2 with linear polar side chains is limited in MW due to solubility. The EO side chain with amine functionality was synthesized in three steps and used for monomer synthesis (EO-NDIBr2). Initial efforts to use DAP to prepare P(EO-NDIT2) from EO-NDIBr2 and pristine bithiophene gave only oligomeric products. Stille polycondensation was therefore used, giving high MW. As extreme aggregation occurred in solvents used for GPC, absolute MW were determined by 1H NMR spectroscopy. To enable reliable end group analysis, model compounds with methyl end groups were prepared. In P(EO-NDIT2), methyl end groups are dominating as a result of incorrect transmetalation from the stannylated monomer. The end groups seen by 1H NMR spectroscopy were further confirmed by MALDI-ToF. Absolute MW were between Mn,NMR= 11 kg/mol to 116 kg/mol depending on reaction conditions. Aggregation was further probed by UV-vis and NMR spectroscopy as a function of the solvent and temperature, shining light into the degree of aggregation, which is important for thin film preparation. Solvent quality decreased with the following order: CHCl3, 1-Chloronaphthalene (CN), 1,2-Dichlorobenzene (o-DCB), DMF, 1,4-Dioxane, CB and Anisole (AN). According to these results, three doping protocols based on CB and o-DCB, as well as temperature variations, were used to prepare films for conductivity measurements. The best results were obtained for processing from chlorobenzene at 80 °C, which aggregates are dissolved. Strikingly, maximum conductivity values were achieved already for 5 wt.-% dopant concentration. The PF reached a maximum even for 1 wt.-% doping level. This unusually low value is promising and suggests a high doping efficacy
Health Inequalities in Germany: Assessing Differences in Health of Migrants and Native Germans Using a Propensity Score Matching Approach and the SF-12 Physical and Mental Health Scale
Get PDFThe aim of the study is to compare health outcomes of migrants and the native German population, testing for the existence of a Healthy Immigrant Effect (HIE). The study contributes a broad theoretical analysis of the HIE and makes use of a wide spectrum of variables to model health (using the SF-12). The HIE is marked by an observed health advantage for migrants, when compared to the host population, which declines with the years since migration. Assessing different types of selection processes, it is assumed that mass migration to post-industrial countries is characterized by favouring the inflow of healthy individuals from weaker economies working in the low-wage sector due to the cost aspect of migration and differences in wages for adequate work. Socioeconomic and -structural differences of migrant and host population as well as psychosocial stressors like acculturation cause the deteroriation of the health adavantage with increasing years since migration. Using cross-sectional data from the 2016 wave of the Socio-Economic Panel this study compares health outcomes (generated from the SF-12) between recent migrants (≤ 10 years since migration), non-recent migrants (> 10 years since migration) and the German native population. Propensity score matching analyses reveal a health advantage for recent migrants compared to non-recent migrants as well as to the German native population, while non-recent migrants remain statistically indistinguishable from the native German population, implying a health assimilation effect
Micro and Nano Raman Investigation of Two-Dimensional Semiconductors towards Device Application
Get PDFRecent advances in nanoscale characterization and device fabrications have opened up opportunities for layered semiconductors in nanoelectronics and optoelectronics. Due to strong confinement in monolayer thickness, physical properties of this materials are greatly influenced by parameters such as strain, defects, and doping at the nanoscale. Therefore, understanding the effect of this parameters on layered semiconductors is the prerequisite for any device application. In this doctoral thesis, impact of such parameters on the optical properties of layered semiconductors are studied in nanoscale. MoS2, the most famous transition metal dechalcogenide (TMDC) (n-type semiconductor), and p-type GaSe, a member of metal monochalcogenide (MMC) are investigated in this work. Finally, in outlook, a device made of p-type few layer GaSe and n-type 1L-MoS2 is discussed
Integrated Micro-Supercapacitor: Design, Fabrication, and Functionalization
Get PDFOwing to the advantages of high power density, fast charge/discharge rates as well as long lifetime, micro-supercapacitor (MSC) has drawn much attention for its potential application in miniaturized electronics. Many efforts have been devoted to the design and fabrication of high-performance MSCs. On the other hand, the integration of MSCs with multiple functional materials and devices has emerged with the development of portable and wearable microelectronics. To date, the biggest challenge in research is to develop a reliable and smart fabrication technology/strategy, which can integrate diverse objective materials into compact devices.
Rolled-up nanotechnology is a unique approach to self-assemble 2D nanomembranes into 3D structures by using strain engineering. This self-assembly process smartly combines top-down and bottom-up methods to pattern functional nanomaterials into ordered 3D micro- and nanostructure arrays. One promising advantage of this approach is that such a self-assembled structure can endow micro-devices with functionality and high performance under a limited footprint area.
The first part of this thesis focuses on the fabrication of planar interdigital MSCs with thermo-responsive function. Based on this work, the second part involves the research on novel tubular MSC which was fabricated by employing shapeable materials and strain engineering. A polymeric framework consisting of swelling hydrogel and polyimide layers ensures excellent ion transport between electrodes and provides efficient self-protection of the tubular MSC against external compression. Such tubular device also exhibits excellent areal capacitance, and an improved cycling stability compared to that of planar MSCs. The third part introduces the step-by-step experiments towards the fabrication and optimization of inorganic strained layer-based tubular MSC. Al2O3/Ni/Cr/Al2O3 strained nanomembrane is designed and can successfully drive the rolling up of MnO2 electrodes with a high yield under magnetic fields.:Chapter 1. Introduction 1
1.1. General background 1
1.2. Motivation of this work 2
1.2.1. Integration of micro-supercapacitors 2
1.2.2. Thermo-responsible micro-supercapacitors 2
1.2.3. 3D tubular functional micro-supercapacitors 2
1.3. Dissertation structure 3
Chapter 2. Overview of micro-supercapacitors 5
2.1. Introduction to MSCs 5
2.1.1. Capacitor 5
2.1.2. Electric double-layer capacitor 5
2.1.3. Pseudocapacitor 7
2.2. MSC configuration 8
2.3. Fabrication strategies of interdigital MSCs 9
2.4. Fabrication methods of active materials 12
2.5. Functionalization of supercapacitors 15
2.5.1. Tribo/piezoelectric driven self-charging function 15
2.5.2. Solar cell driven self-charging function 16
2.5.3. Electrochromic function 18
2.5.4. Self-healing function 19
2.5.5. Sensing function 20
2.5.6. Stretchable function 21
2.5.7. Thermo-responsive function 22
2.5.8. Photo-switchable function 23
2.6. Conclusion and outlook 23
Chapter 3. Overview of rolled-up technology 27
3.1. 3D self-assembly of the inorganic nanomembrane 27
3.1.1. Introduction 27
3.1.2. Rolled-up nanomembranes for capacitors 28
3.1.2. Rolled-up nanomembranes for Li-ion batteries 30
3.2. 3D self-assembly of the polymeric layers 32
3.2.1. Introduction 32
3.2.2. Self-assembled polymeric layers for microelectronics 35
Chapter 4. Experimental methods 39
4.1. Deposition methods 39
4.1.1. Photolithography 39
4.1.2. Electron beam evaporation 39
4.1.3. Atomic layer deposition 40
4.1.4. Electrochemical deposition 41
4.2. Characterization methods 43
4.2.1. Scanning electron microscopy and focused ion beam milling 43
4.2.2. Electrochemical characterization 43
Chapter 5. An integrated MSC with thermo-responsible function 47
5.1. Introduction 47
5.2. Fabrication and characterization of thermo-responsible MSCs 47
5.2.1. Single thermo-responsible MSCs 47
5.2.2. The array of thermo-responsible MSC 51
5.3. Conclusion 53
Chapter 6. Self-assembly of 3D tubular MSCs 55
6.1. Introduction 55
6.2. Fabrication of tubular MSCs 57
6.2.1. Diagram of processing flow 57
6.2.2. Polymeric layer stack 58
6.2.3. Microelectrodes, self-assembly and capsulation 59
6.3. Results and discussion 60
6.3.1. On-chip and free-standing sample morphology 60
6.3.2. Electrochemical characterization of tubular MSCs 64
6.3.3. Self-protection function of tubular structures 72
6.3.4. Assembly of tubular structures in series/parallel 76
6.4. Conclusion 80
Chapter 7. Tubular nanomembranes for MSCs 81
7.1. Introduction 81
7.2. Self-assembly of Al2O3/Ti/Cr/Al2O3 strained nanomembranes 82
7.2.1. Fabrication method 82
7.2.2. Results and discussion 83
7.3. Self-assembly of Al2O3/Ni/Cr/Al2O3 strained nanomembranes 87
7.3.1. Fabrication method 87
7.3.2. Results and discussion 88
7.4. Conclusion 92
Chapter 8. Summary and outlook 93
8.1. Summary 93
8.2. Outlook 94
Bibliography 95
List of Figures 109
List of Tables 117
Theses 119
Acknowledgment 121
Publications and presentations 123
Curriculum Vita 12
Vademecum für das Fach Werken: Fachdidaktik für technisches Werken mit einer Analyse des Lehrplans für Sachsen
Get PDFDas Schulfach Werken für Sachsen wird grundlegend und umfassend theoretisch und praktisch analysiert sowie in den Kontext der technischen (Allgemein-)Bildung gestellt. Das Buch eignet sich als Vorbereitung für die Prüfung Fachdidaktik Technik. Spezielle Unterrichtsverfahren wie z. B. das technische Experiment und die Konstruktionsaufgabe werden ausführlich beschrieben. Der Lehrplan für Sachsen wird unter verschiedenen Aspekten betrachtet.:1. Definition des Werkens und anderer naheliegender Begriffe
2. Fachgeschichte Werken in Anlehnung an Wessels
3. Entwicklungspsychologische Grundlagen für Werken
4. Allgemeine Zielstellungen für den Werkunterricht im Curriculum
5. Handlungsfelder
6. Manuell-technische bzw. somatische Bildung (Fertigkeiten)
7. Kognitive Bildung (Wissen)
8. Konkrete Unterrichtsgegenstände und deren didaktische Rechtfertigung
9. Technische Bildung, technische Handlungsfähigkeit
10. Informatische Vorbildung
11. Soziale Bildung
12. Ästhetische Bildung
13. Didaktische Unterrichtsprinzipien für die Technische Bildung
14. Didaktische Modelle und Ansätze
15. Kompetenzbereiche Werken
16. Input- und Output-/Outcome-Orientierung
17. Gesellschaftliche Veränderungen mit Auswirkung auf Werken
18. (Abgeleitete) Lernbereiche im Lehrplan
19. Bezugswissenschaften und Querverbindungen zu Werken
20. Spezielle Methodik für Werken und den Technikunterricht - Unterrichtsverfahren
21. Neue und alte Medien, neue und alte Materialien
22. Beurteilen, Bewerten, Zensuren
23. Übergänge Elementar-Primarstufe, Primar-Sekundarstufe
24. Genderspezifik Geschlechtergerechter Unterricht
25. Heterogenität
26. Integration und Inklusion
27. Infrastruktur – materielle Voraussetzungen für Werken
28. Kompetenzen der LuL
29. Fachwissenschaftliche Kenntnisbereiche in Stichpunkten (Wissen)
30. Handwerkliches Können der LuL
31. Die (ausführliche) Unterrichtsplanung und -vorbereitung
32. Zukünftige Entwicklungsschwerpunkte im Fach Werken
33. Sammlung von Tipps für Werklehrer
34. Inhalte der Prüfungen WTH und Werken gemäß LAPO Sachse