Titelaufnahme

Titel
Konfokale Mikro-Ramanspektroskopie von verspannten Silizium Nanowires / Stefan Heiss
VerfasserHeiss, Stefan
Begutachter / BegutachterinBertagnolli, Emmerich ; Schmiedmayer, Hannes-Jörg ; Lugstein, Alois
Erschienen2012
Umfang92 S. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Dipl.-Arb., 2012
Anmerkung
Zsfassung in engl. Sprache
SpracheDeutsch
DokumenttypDiplomarbeit
Schlagwörter (DE)Nanowires / verspannt / silizium / raman
Schlagwörter (EN)nanowires / strained / silicon / raman
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-52581 Persistent Identifier (URN)
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Konfokale Mikro-Ramanspektroskopie von verspannten Silizium Nanowires [34.97 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines Spannungsmoduls, sowie eines dazu passenden Probendesigns, welches die mechanische Dehnung von Nanowires und deren anschließende elektrische sowie optische Charakterisierung ermöglicht. Der Fokus der durchgeführten experimentellen Arbeit im Bereich der Nanowiresynthese liegt auf der Ermittlung der Prozessparameter für einen Wachstumsprozess der es erlaubt Nanowires monolithisch in das Spannungsmodul zu integrieren. Diese einzelnen Nanowires werden dann mittels Mikroramanspektroskopie vermessen und so der Einfluss von einachsiger mechanischer Spannung auf das Ramansignal eines Siliziumnanowires untersucht.

Die Diplomarbeit beginnt mit einer Einleitung, welche das Forschungsgebiet über Nanowires und dessen historische Entwicklung kurz umreißt und behandelt im zweiten Kapitel die theoretischen Grundlagen auf welchen das entwickelte Spannungsmodul und die damit durchgeführten Messungen beruhen. Der Halbleiter Silizium wird vorgestellt und die Synthese von epitaktischen Silizium Nanowires durch VLS-Wachstum auf einem Trägersubstrat beschrieben. Weiters wird das Basiskonzept für die mechanischen Berechnungen sowie die Lösung der Biegedifferentialgleichung zur Abschätzung und Konstruktion des Spannungsmoduls dargelegt. Abschließend behandelt das Kapitel die physikalischen Grundlagen der Ramanspektroskopie. Über den atomaren Aufbau des Festkörpers werden die Phononen als Quasiteilchen vorgestellt, welche die Gitterschwingungen beschreiben und mit externer Strahlung wechselwirken können. Die grundlegenden Formen von elastischer und inelastischer Streuung werden erörtert und der Zusammenhang der beobachtbaren Strahlungsintensität mit der Dispersionsrelation des Festkörpers durch Streuung an Phononen erklärt.

Im dritten Abschnitt, wird auf die experimentelle Durchführung und Herstellung der Proben detailliert eingegangen. Der Versuchsaufbau und die Funktionsweise des Spannungsmoduls werden beschrieben und das Rechenmodell erklärt mit dem die erzielbare Dehnung abgeschätzt wurde.

Ein wesentliches Ergebnis dieser Überlegungen ist es, eine Erhöhung der erzielbaren Dehnung, welche durch Biegen eines Balkens erzeugt wird, durch geeignete Strukturierung der Probe zu erreichen. Das dadurch erhaltene Probendesign ermöglicht es einzelne Nanowires auf einer Siliziumprobe aufzuwachsen. Diese Proben werden auf eine Stahlfeder aufgeklebt und mit einem Spannungsmodul verbogen, wobei sich die Biegung des Balkens in eine Zugbelastung am Nanowire überleiten lässt. Die Proben sind elektrisch isoliert und ermöglichen auch die Kontaktierung der verbogenen Nanowires. Es werden drei unterschiedliche Strukturierungen vorgestellt und deren maximal erzielbarer Dehnungübertrag auf einen Nanowire berechnet.

Die Probenherstellung und die dabei verwendeten Prozesse und Parameter werden abschließend behandelt.

Im letzten Kapitel werden die Messdaten und Ergebnisse diskutiert. Die erforderlichen Parameter und Prozesse wie Kolloidverdünnung und Dielektrophorese, und die damit erzielten Ergebnisse für das Wachstum von einzelnen epitaktischen Silizium Nanowires werden präsentiert.

Anhand von unverspannten Silizium als Referenz werden dann die wesentlichen Aspekte des Ramanspektrums vorgestellt. Es wird die Messprozedur erklärt, um durch REM-Messungen den jeweiligen Ramanspektren, Dehnungswerte zuordnen zu können. In weiterer Folge wird schließlich ein Zusammenhang zwischen der Verschiebung des Ramanpeaks erster Ordnung und der Dehnung eines Si-NW hergestellt. Das letzte Kapitel beschäftigt sich mit der Form der gemessenen Intensitätsverteilungen und der zu beobachtenden Peakverbreiterung unter zunehmender Dehnung des Si-NW, die mit Hilfe der aktuellen Literatur diskutiert werden.

Zusammenfassung (Englisch)

The main focus of this thesis is the development of a strain device, as well as an appropriate sample design, which enables the application of mechanical strain on nanowires and subsequently allows their electrical & optical characterization. The key aspect of the experimental work is the determination of the necessary parameters for a growth process, that allows the monolithic integration of an individual Si-NW in the straindevice. Those single nanowires are then measured by microramanspectroscopy and in this way the influence of uniaxal mechanical stress on the ramansignal of a nanowire is analysed. The thesis starts with a brief introduction about nanowires and their historical development as a field of scientific research. In the second chapter the theoretical foundations are treated which were used to develop the strain device and the measurements realized with it. The semiconductor silicon as well as the synthesis of epitaxial grown silicon nanowires via a VLS-process on a carrier substrat are described.

In the following the basic concepts of the mechanical calculations and the solution to the differential equation for bending are given which are used for the laying up of the strain device. The chapter closes with the treatment of the physical fundamentals of ramanspectroscopy. Through the atomic composition of the solid state, phonons are derived and introduced as particle like quantities which describe the interaction of lattice vibrations with external radiation. Inelastic and elastic scattering is illustrated and the connection between the dispersionrelations of solids and the observable radiation intensities is described as scattering-process with phonons.

In the third chapter the experimental procedures and the processes necessary for specimen assembly are viewed in detail. The experimental set-up of the strain-device is overlooked and the model for estimating the achievable level of strain is discussed. An important result of these considerations is the approach to increase the achievable strain level through convenient modeling of the sample structure. The sample design derived from these considerations allows it to grow single nanowires and to measure them separate. These specimen can then be glued onto steel-springs and thus be bended in the strain device. In this way the bending of the steel spring can be converted into tensile stress on the nanowire located on the specimen, which is also electricaly insulated and allows the electrical contacting of the nanowire. The structure of the specimen design is realized in three slightly different types with the intent to be able to exceed the maximum available level of strain. In the last chapter, the conducted measurements and their results are discussed. The parameters and processes necessary to be able to grow single epitactical-nanowires are given and the achieved results displayed. On the basis of unstrained silicon as reference the essential concepts of microramanspectroscopy are introduced. Furthermore the procedure to attain strain values through REM-measurements to the corresponding raman-spectra is described. As a main result of this thesis a correlation of the strain-level of a silicon nanowire and the shifted correlating ramanspectrum can be given. Also a splitting of the first order ramanpeak, which increases under increasing strain is observed and interpreted.