Der Trend zur Miniaturisierung ist einer der wesentlichsten Merkmale der technnologischen Entwicklung im 20sten und 21sten Jahrhundert. So werden nicht nur klassische Technologien, wie zum Beispiel die Prozessortechnik, immer weiter verkleinert, sondern es wird zunehmend gezielt nach neuen Technologien im Mikro- und Nanokosmos geforscht, deren Wirkung bei makroskopischen Abmessungen häufig vernachlässigt werden kann. Bekannte Beispiele hierfür sind der Lotusblüteneffekt nanostrukturierter Oberflächen, magnetische Flüssigkeiten, „Nanohobel“ in der Medizintechnik oder der Tunneleffekt den man sich gezielt im Rastertunnelmikroskop (engl.: scanning tunneling microscope, STM) zu Nutze macht. Im Umfeld der Mikro-, Nanotechnologie und Medizintechnik wird intensiv an der Erzeugung nanostrukturierter Substrate geforscht. Diese Nanostrukturen zeichnen sich durch Abmessungen von 1-100nm aus und enthalten typischer Weise einige 10-1000 Atome. Strukturen dieser Größenordnung kennzeichnen in ihrem Materialverhalten den Übergang vom makroskopischen Festkörper zu mikroskopischen Atom- und Molekülsystemen. Durch die Nanostrukturierung erhält ein Probenmaterial an seiner Oberfläche spezielle physikalische und chemische Eigenschaften. Diese Substrate können dann beispielsweise als Elektroden in der Sensorik (Biosensoren), Mikroelektronik oder zur Molekülsynthese dienen. Die Vorteile von nanostrukturierten Materialien liegen in ihren teils ungewöhnlichen Eigenschaften. So kann die Nanostrukturierung einer Substratoberfläche zur Veränderung der Substratreaktivität genutzt werden. Dabei kann durch Nanostrukturen die Topographie der potentiellen Oberflächenenergie eines Substrats beeinflusst werden, sodass sich die Bindungsenergie an der Substratoberfläche ändert. Existieren in unmittelbarer Nähe zu einander mehrere Nanostrukturen, beeinflussen sich diese gegenseitig. Dabei verändern sich die Wellenfunktionen der Atome in den Nanostrukturen. Es kommt zum so genannten Quanten Confinement, einem Zustand, in dem die Wellenfunktionen nicht denen einzelner Atome und auch nicht von Atomen im Festkörper entsprechen, sondern Mischformen. Die daraus resultierenden, energetischen Verhältnisse können dann die Effektivität von Sensoren, oder den Wirkungsgrad von organischen Solarzellen erhöhen. [...]
Inhaltsverzeichnis
- Aufgabenstellung
- Literaturrecherche
- Experimente
- Grundlagen
- Das Rastertunnelmikroskop
- Das Wirkprinzip des Rastertunnelmikroskops
- Rastertunnelmikroskopie in elektrochemischer Umgebung
- Die Tunnelspitze
- Die Nernst Gleichung
- Bestimmung des Potentials einer Referenzelektrode
- Das Rastertunnelmikroskop
- Literaturrecherche
- Lokale Top-Down-Verfahren, Direktschreibverfahren
- Lokale Strukturierung mittels STM im Vakuum
- Lokale Strukturierung mittels EC-STM
- Integrale Bottom-Up-Verfahren
- Statistische Organisation
- Selbstorganisation
- Ein kurzer Überblick weiterer Nanostrukturen
- Kohlenstoff-Strukturen
- Selbstorganisation organischer Systeme
- Lokale Top-Down-Verfahren, Direktschreibverfahren
- Experimente
- Allgemeine Versuchsvorbereitung
- Herstellung der Tunnelspitze
- Präparation der elektrochemischen Zelle
- Cluster-Erzeugung mit einem EC-STM-System
- Das EC-STM-System
- Vorgehen bei der Cluster-erzeugung
- Technische Einschränkungen und Möglichkeiten des EC-STM-Systems
- Anforderungen an das EC-STM-System zur automatischen Cluster-Array-Generierung
- Modifikation des EC-STM-Systems
- Cu-Cluster auf Au(lll)
- Durchführung der Versuche 1-2
- Auswertung der Versuche 1-2
- Pd-Cluster auf Au(lll)
- Durchführung der Versuche 3-5
- Auswertung der Versuche 3-5
- Allgemeine Versuchsvorbereitung
- Zusammenfassung
- Visual Basic-Skripte
- Abbildungsverzeichnis
- Literaturverzeichnis
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Diese Semesterarbeit befasst sich mit der Nanostrukturierung von Substraten, insbesondere mit der gezielten Erzeugung von Cluster-Arrays durch elektrochemische Rastertunnelmikroskopie (EC-STM). Die Arbeit gliedert sich in zwei Teile: eine Literaturrecherche, die verschiedene Verfahren zur Nanostrukturierung von Metallen und Halbleitern präsentiert, und einen Experimentalteil, der die automatische Erzeugung von Cluster-Arrays mittels EC-STM in einem metallionenfreien Elektrolyten untersucht.
- Die verschiedenen Verfahren zur Nanostrukturierung von Substraten
- Die Funktionsweise des Rastertunnelmikroskops und seine Anwendung in elektrochemischer Umgebung
- Die Erzeugung von Cluster-Arrays mittels EC-STM
- Die Herausforderungen bei der Cluster-Array-Generierung in metallionenfreien Elektrolyten
- Die Optimierung des EC-STM-Systems für die automatische Cluster-Array-Generierung
Zusammenfassung der Kapitel
Das Kapitel 'Grundlagen' stellt das Rastertunnelmikroskop (STM) und seine Anwendung in elektrochemischer Umgebung (EC-STM) vor. Es werden die Funktionsweise des STM, die verschiedenen Messmodi und die Bedeutung der Tunnelspitze für die Auflösung und Präzision der Messungen erläutert. Außerdem wird die Nernst-Gleichung und ihre Bedeutung für die elektrochemische Abscheidung von Metallen beschrieben. Die Kapitel 'Literaturrecherche' und 'Experimente' befassen sich mit der Nanostrukturierung von Substraten. Die Literaturrecherche präsentiert verschiedene Verfahren zur Erzeugung von Nanostrukturen, sowohl lokale Top-Down-Verfahren als auch integrale Bottom-Up-Verfahren. Die Experimente untersuchen die automatische Erzeugung von Cluster-Arrays mittels EC-STM in einem metallionenfreien Elektrolyten. Es werden verschiedene Versuche mit Kupfer- und Palladium-Clustern auf einem Gold-Substrat beschrieben und die Ergebnisse der Versuche ausgewertet. Das Kapitel 'Zusammenfassung' fasst die wichtigsten Ergebnisse der Arbeit zusammen und diskutiert das Optimierungspotenzial des EC-STM-Systems für die automatische Cluster-Array-Generierung.
Schlüsselwörter
Die Schlüsselwörter und Schwerpunktthemen des Textes umfassen die Nanostrukturierung von Substraten, die elektrochemische Rastertunnelmikroskopie (EC-STM), die Erzeugung von Cluster-Arrays, die automatische Cluster-Array-Generierung, die Verwendung von metallionenfreien Elektrolyten, die Herausforderungen bei der Cluster-Array-Generierung in metallionenfreien Elektrolyten, die Optimierung des EC-STM-Systems für die automatische Cluster-Array-Generierung, die Anwendung von STM-Verfahren in der Materialwissenschaft und Nanotechnologie.
- Citation du texte
- Denis Jung (Auteur), 2004, Nanostrukturierung von Substraten, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/54565
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