Air-gap based vertical cavity micro-opto-electro-mechanical Fabry-Perot filters

Mikrooptische Filter sind heutzutage in vielen Bereichen in der Telekommunikation unersetzlich. Wichtige Einsatzgebiete sind aber auch spektroskopische Systeme in der Medizin-, Prozess- und Umwelttechnik. Diese Arbeit befasst sich mit der Technologieentwicklung und Herstellung von luftspaltbasierenden, vertikal auf einem Substrat angeordneten, oberflächenmikromechanisch hergestellten Fabry-Perot-Filtern. Es werden zwei verschiedene Filtervarianten, basierend auf zwei verschiedenen Materialsystemen, ausführlich untersucht. Zum einen handelt es sich dabei um die Weiterentwicklung von kontinuierlich mikromechanisch durchstimmbaren InP / Luftspaltfiltern; zum anderen werden neuartige, kostengünstige Siliziumnitrid / Luftspaltfilter wissenschaftlich behandelt. Der Inhalt der Arbeit ist so gegliedert, dass nach einer Einleitung mit Vergleichen zu Arbeiten und Ergebnissen anderer Forschergruppen weltweit, zunächst einige theoretische Grundlagen zur Berechnung der spektralen Reflektivität und Transmission von beliebigen optischen Schichtanordnungen aufgezeigt werden. Auß erdem wird ein kurzer theoretischer Ü berblick zu wichtigen Eigenschaften von Fabry-Perot-Filtern sowie der Möglichkeit einer mikromechanischen Durchstimmbarkeit gegeben. Daran anschließ end folgt ein Kapitel, welches sich den grundlegenden technologischen Aspekten der Herstellung von luftspaltbasierenden Filtern widmet. Es wird ein Zusammenhang zu wichtigen Referenzarbeiten hergestellt, auf denen diverse Weiterentwicklungen dieser Arbeit basieren. Die beiden folgenden Kapitel erläutern dann ausführlich das Design, die Herstellung und die Charakterisierung der beiden oben erwähnten Filtervarianten. Abgesehen von der vorangehenden Epitaxie von InP / GaInAs Schichten, ist die Herstellung der InP / Luftspaltfilter komplett im Institut durchgeführt worden. Die Herstellungsschritte sind ausführlich in der Arbeit erläutert, wobei ein Schwerpunktthema das trockenchemische Ä tzen von InP sowie GaInAs, welches als Opferschichtmaterial für die Herstellung der Luftspalte genutzt wurde, behandelt. Im Verlauf der wissenschaftlichen Arbeit konnten sehr wichtige technische Verbesserungen entwickelt und eingesetzt werden, welche zu einer effizienteren technologischen Herstellung der Filter führten und in der vorliegenden Niederschrift ausführlich dokumentiert sind. Die hergestellten, für einen Einsatz in der optischen Telekommunikation entworfenen, elektrostatisch aktuierbaren Filter sind aus zwei luftspaltbasierenden Braggspiegeln aufgebaut, welche wiederum jeweils 3 InP-Schichten von (je nach Design) 357nm bzw. 367nm Dicke aufweisen. Die Filter bestehen aus im definierten Abstand parallel übereinander angeordneten Membranen, die über Verbindungsbrücken unterschiedlicher Anzahl und Länge an Haltepfosten befestigt sind. Da die mit 357nm bzw. 367nm vergleichsweise sehr dünnen Schichten freitragende Konstrukte mit bis zu 140 nm Länge bilden, aber trotzdem Positionsgenauigkeiten im nm-Bereich einhalten müssen, handelt es sich hierbei um sehr anspruchsvolle mikromechanische Bauelemente. Um den Einfluss der zahlreichen geometrischen Strukturparameter studieren zu können, wurden verschiedene laterale Filterdesigns implementiert. Mit den realisierten Filter konnte ein enorm weiter spektraler Abstimmbereich erzielt werden. Je nach lateralem Design wurden internationale Bestwerte für durchstimmbare Fabry-Perot-Filter von mehr als 140nm erreicht. Die Abstimmung konnte dabei kontinuierlich mit einer angelegten Spannung von nur wenigen Volt durchgeführt werden. Im Vergleich zu früher berichteten Ergebnissen konnten damit sowohl die Wellenlängenabstimmung als auch die dafür benötigte Abstimmungsspannung signifikant verbessert werden. Durch den hohen Brechungsindexkontrast und die geringe Schichtdicke zeigen die Filter ein vorteilhaftes, extrem weites Stopband in der Größ enordnung um 550nm. Die gewählten, sehr kurzen Kavitätslängen ermöglichen einen freien Spektralbereich des Filters welcher ebenfalls in diesen Größ enordnungen liegt, so dass ein weiter spektraler Einsatzbereich ermöglicht wird. Während der Arbeit zeigte sich, dass Verspannungen in den freitragenden InPSchichten die Funktionsweise der mikrooptischen Filter stark beeinflussen bzw. behindern. Insbesondere eine Unterätzung der Haltepfosten und die daraus resultierende Verbiegung der Ecken an denen sich die Verbindungsbrücken befinden, führte zu enormen vertikalen Membranverschiebungen, welche die Filtereigenschaften verändern. Um optimale Ergebnisse zu erreichen, muss eine weitere Verbesserung der Epitaxie erfolgen. Jedoch konnten durch den zusätzlichen Einsatz einer speziellen Schutzmaske die Unterätzung der Haltepfosten und damit starke vertikale Verformungen reduziert werden. Die aus der Verspannung resultierenden Verformungen und die Reaktion einzelner freistehender InP Schichten auf eine angelegte Gleich- oder Wechselspannung wurde detailliert untersucht. Mittels Weisslichtinterferometrie wurden lateral identische Strukturen verglichen, die aus unterschiedlich dicken InP-Schichten (357nm bzw. 1065nm) bestehen. Einen weiteren Hauptteil der Arbeit stellen Siliziumnitrid / Luftspaltfilter dar, welche auf einem neuen, im Rahmen dieser Dissertation entwickelten, technologischen Ansatz basieren. Die Filter bestehen aus zwei Braggspiegeln, die jeweils aus fünf 590nm dicken, freistehenden Siliziumnitridschichten aufgebaut sind und einem Abstand von 390nm untereinander aufweisen. Die Filter wurden auf Glassubstraten hergestellt. Der Herstellungsprozess ist jedoch auch mit vielen anderen Materialien oder Prozessen kompatibel, so dass z.B. eine Integration mit anderen Bauelemente relativ leicht möglich ist. Die Prozesse dieser ebenfalls oberflächenmikromechanisch hergestellten Filter wurden konsequent auf niedrige Herstellungskosten optimiert. Als Opferschichtmaterial wurde hier amorph abgeschiedenes Silizium verwendet. Der Herstellungsprozess beinhaltet die Abscheidung verspannungsoptimierter Schichten (Silizium und Siliziumnitrid) mittels PECVD, die laterale Strukturierung per reaktiven Ionenätzen mit den Gasen SF6 / CHF3 / Ar sowie Fotolack als Maske, die nasschemische Unterätzung der Opferschichten mittels KOH und das Kritisch-Punkt-Trocken der Proben. Die Ergebnisse der optischen Charakterisierung der Filter zeigen eine hohe Ü bereinstimmung zwischen den experimentell ermittelten Daten und den korrespondierenden theoretischen Modellrechnungen. Weisslichtinterferometermessungen der freigeätzten Strukturen zeigen ebene Filterschichten und bestätigen die hohe vertikale Positioniergenauigkeit, die mit diesem technologischen Ansatz erreicht werden kann.

Effects of different tillage treatments on labile soil organic matter pools and stabilization processes

An improved understanding of soil organic carbon (Corg) dynamics in interaction with the mechanisms of soil structure formation is important in terms of sustainable agriculture and reduction of environmental costs of agricultural ecosystems. However, information on physical and chemical processes influencing formation and stabilization of water stable aggregates in association with Corg sequestration is scarce. Long term soil experiments are important in evaluating open questions about management induced effects on soil Corg dynamics in interaction with soil structure formation. The objectives of the present thesis were: (i) to determine the long term impacts of different tillage treatments on the interaction between macro aggregation (>250 µm) and light fraction (LF) distribution and on C sequestration in plots differing in soil texture and climatic conditions. (ii) to determine the impact of different tillage treatments on temporal changes in the size distribution of water stable aggregates and on macro aggregate turnover. (iii) to evaluate the macro aggregate rebuilding in soils with varying initial Corg contents, organic matter (OM) amendments and clay contents in a short term incubation experiment. Soil samples were taken in 0-5 cm, 5-25 cm and 25-40 cm depth from up to four commercially used fields located in arable loess regions of eastern and southern Germany after 18-25 years of different tillage treatments with almost identical experimental setups per site. At each site, one large field with spatially homogenous soil properties was divided into three plots. One of the following three tillage treatments was carried in each plot: (i) Conventional tillage (CT) with annual mouldboard ploughing to 25-30 cm (ii) mulch tillage (MT) with a cultivator or disc harrow 10-15 cm deep, and (iii) no tillage (NT) with direct drilling. The crop rotation at each site consisted of sugar beet (Beta vulgaris L.) - winter wheat (Triticum aestivum L.) - winter wheat. Crop residues were left on the field and crop management was carried out following the regional standards of agricultural practice. To investigate the above mentioned research objectives, three experiments were conducted: Experiment (i) was performed with soils sampled from four sites in April 2010 (wheat stand). Experiment (ii) was conducted with soils sampled from three sites in April 2010, September 2011 (after harvest or sugar beet stand), November 2011 (after tillage) and April 2012 (bare soil or wheat stand). An incubation study (experiment (iii)) was performed with soil sampled from one site in April 2010. Based on the aforementioned research objectives and experiments the main findings were: (i) Consistent results were found between the four long term tillage fields, varying in texture and climatic conditions. Correlation analysis of the yields of macro aggregate against the yields of free LF ( ≤1.8 g cm-3) and occluded LF, respectively, suggested that the effective litter translocation in higher soil depths and higher litter input under CT and MT compensated in the long term the higher physical impact by tillage equipment than under NT. The Corg stocks (kg Corg m−2) in 522 kg soil, based on the equivalent soil mass approach (CT: 0–40 cm, MT: 0–38 cm, NT: 0–36 cm) increased in the order CT (5.2) = NT (5.2) < MT (5.7). Significantly (p ≤ 0.05) highest Corg stocks under MT were probably a result of high crop yields in combination with reduced physical tillage impact and effective litter incorporation, resulting in a Corg sequestration rate of 31 g C-2 m-2 yr-1. (ii) Significantly higher yields of macro aggregates (g kg-2 soil) under NT (732-777) and MT (680-726) than under CT (542-631) were generally restricted to the 0-5 cm sampling depth for all sampling dates. Temporal changes on aggregate size distribution were only small and no tillage induced net effect was detectable. Thus, we assume that the physical impact by tillage equipment was only small or the impact was compensated by a higher soil mixing and effective litter translocation into higher soil depths under CT, which probably resulted in a high re aggregation. (iii) The short term incubation study showed that macro aggregate yields (g kg-2 soil) were higher after 28 days in soils receiving OM (121.4-363.0) than in the control soils (22.0-52.0), accompanied by higher contents of microbial biomass carbon and ergosterol. Highest soil respiration rates after OM amendments within the first three days of incubation indicated that macro aggregate formation is a fast process. Most of the rebuilt macro aggregates were formed within the first seven days of incubation (42-75%). Nevertheless, it was ongoing throughout the entire 28 days of incubation, which was indicated by higher soil respiration rates at the end of the incubation period in OM amended soils than in the control soils. At the same time, decreasing carbon contents within macro aggregates over time indicated that newly occluded OM within the rebuilt macro aggregates served as Corg source for microbial biomass. The different clay contents played only minor role in macro aggregate formation under the particular conditions of the incubation study. Overall, no net changes on macro aggregation were identified in the short term. Furthermore, no indications for an effective Corg sequestration on the long term under NT in comparison to CT were found. The interaction of soil disturbance, litter distribution and the fast re aggregation suggested that a distinct steady state per tillage treatment in terms of soil aggregation was established. However, continuous application of MT with a combination of reduced physical tillage impact and effective litter incorporation may offer some potential in improving the soil structure and may therefore prevent incorporated LF from rapid decomposition and result in a higher C sequestration on the long term.