Lithography-free micro- and nanostructuring based on conventional plasma etching

In now-a-days semiconductor and MEMS technologies the photolithography is the working horse for fabrication of functional devices. The conventional way (so called Top-Down approach) of microstructuring starts with photolithography, followed by patterning the structures using etching, especially dry etching. The requirements for smaller and hence faster devices lead to decrease of the feature size to the range of several nanometers. However, the production of devices in this scale range needs photolithography equipment, which must overcome the diffraction limit. Therefore, new photolithography techniques have been recently developed, but they are rather expensive and restricted to plane surfaces. Recently a new route has been presented - so-called Bottom-Up approach - where from a single atom or a molecule it is possible to obtain functional devices. This creates new field - Nanotechnology - where one speaks about structures with dimensions 1 - 100 nm, and which has the possibility to replace the conventional photolithography concerning its integral part - the self-assembly. However, this technique requires additional and special equipment and therefore is not yet widely applicable. This work presents a general scheme for the fabrication of silicon and silicon dioxide structures with lateral dimensions of less than 100 nm that avoids high-resolution photolithography processes. For the self-aligned formation of extremely small openings in silicon dioxide layers at in depth sharpened surface structures, the angle dependent etching rate distribution of silicon dioxide against plasma etching with a fluorocarbon gas (CHF3) was exploited. Subsequent anisotropic plasma etching of the silicon substrate material through the perforated silicon dioxide masking layer results in high aspect ratio trenches of approximately the same lateral dimensions. The latter can be reduced and precisely adjusted between 0 and 200 nm by thermal oxidation of the silicon structures owing to the volume expansion of silicon during the oxidation. On the basis of this a technology for the fabrication of SNOM calibration standards is presented. Additionally so-formed trenches were used as a template for CVD deposition of diamond resulting in high aspect ratio diamond knife. A lithography-free method for production of periodic and nonperiodic surface structures using the angular dependence of the etching rate is also presented. It combines the self-assembly of masking particles with the conventional plasma etching techniques known from microelectromechanical system technology. The method is generally applicable to bulk as well as layered materials. In this work, layers of glass spheres of different diameters were assembled on the sample surface forming a mask against plasma etching. Silicon surface structures with periodicity of 500 nm and feature dimensions of 20 nm were produced in this way. Thermal oxidation of the so structured silicon substrate offers the capability to vary the fill factor of the periodic structure owing to the volume expansion during oxidation but also to define silicon dioxide surface structures by selective plasma etching. Similar structures can be simply obtained by structuring silicon dioxide layers on silicon. The method offers a simple route for bridging the Nano- and Microtechnology and moreover, an uncomplicated way for photonic crystal fabrication.

Wechselwirkung von im NANOJET erzeugten Teilchen mit Polymeren und biologischen Objekten

Am Institut für Mikrostrukturtechnologie und Analytik wurde eine neue Technik entwickelt, die neue Anwendungen und Methoden der Mikro- und Nanostrukturierung auf Basis eines neuen Verfahrens erschlossen hat. NANOJET führt über die passive Rastersondenmikroskopie hinaus zu einem vielseitigen, aktiven Bearbeitungswerkzeug auf der Mikro- und Nanometerskala. NANOJET (NANOstructuring Downstream PlasmaJET) ist eine aktive Rasterkraft-Mikroskopie-Sonde. Radikale (chemisch aktive Teilchen, die ein ungepaartes Valenzelektron besitzen) strömen aus dem Ende einer ultradünnen, hohlen Rasterkraftmikroskop-Spitze. Dadurch wird es möglich, über die übliche passive Abtastung einer Probenoberfläche hinausgehend, diese simultan und in-situ durch chemische Reaktionen zu verändern. Die Abtragung von Material wird durch eine chemische Ätzreaktion erreicht. In dieser Arbeit wurde zum größten Teil Photoresist als Substrat für die Ätzexperimente verwendet. Für das Ätzen des Resists wurden die Atome des Fluors und des Sauerstoffs im Grundzustand als verantwortlich identifiziert. Durch Experimente und durch Ergänzung von Literaturdaten wurde die Annahme bestätigt, dass Sauerstoffradikale mit Unterstützung von Fluorradikalen für die hohen erzielten Ätzraten verantwortlich sind. Die Beimischung von Fluor in einem Sauerstoffplasma führt zu einer Verringerung der Aktivierungsenergie für die Ätzreaktion gegenüber Verwendung reinen Sauerstoffs. In weiterer Folge wurde ein Strukturierungsverfahren dargestellt. Hierbei wurden "geformte Kapillaren" (mikrostrukturierte Aperturen) eingesetzt. Die Herstellung der Aperturen erfolgte durch einen elektrochemischen Ätzstop-Prozess. Die typische Größe der unter Verwendung der "geformten Kapillaren" geätzten Strukturen entsprach den Kapillarenöffnungen. Es wurde ein Monte-Carlo Simulationsprogramm entwickelt, welches den Transport der reaktiven Teilchen in der langen Transportröhre simulierte. Es wurde sowohl die Transmission der Teilchen in der Transportröhre und der Kapillare als auch ihre Winkelverteilung nach dem Verlassen der Kapillare berechnet. Das Aspektverhältnis der Röhren hat dabei einen sehr starken Einfluss. Mit einem steigenden Aspektverhältnis nahm die Transmission exponentiell ab. Die geschaffene experimentelle Infrastruktur wurde genutzt, um auch biologische Objekte zu behandeln und zu untersuchen. Hierfür wurde eine neue Methodik entwickelt, die eine dreidimensionale Darstellung des Zellinneren erlaubt. Dies wurde durch die kontrollierte Abtragung von Material aus der Zellmembran durchgeführt. Die Abtragung der Zellmembran erfolgte mittels Sauerstoffradikalen, die durch eine hohle Spitze lokalisiert zum Ort der Reaktion transportiert wurden. Ein piezoresistiver Cantilever diente als Sensor in dem zur Bildgebung eingesetzten RKM. Das entwickelte Verfahren ermöglicht es nun erstmals, schonend Zellen zu öffnen und die innen liegenden Organellen weiter zu untersuchen. Als Nachweis für weitere Verwendungsmöglichkeiten des NANOJET-Verfahrens wurde auch Knochenmaterial behandelt. Die Ergebnisse dieser Experimente zeigen klar, dass das Verfahren für vielfältige biologische Materialien verwendbar ist und somit nun ein weiter Anwendungskreis in der Biologie und Medizin offen steht.

Prediction of the azimuth angle dependence of the quasimolecular anisotropy in heavy ion collisions

Within the quasimolecular (MO) kinematic dipole model we predict a strong dependence of the anisotropy of the MO radiation on the orientation of the heavy ion scattering plane relative to the direction of the photon detection plane.

Designing a Robust Pitch Angle Controller for a 2‐Motor‐Pitch‐System in a Large Wind Turbine

Für große Windenergieanlagen werden neue Pitchregler wie Einzelblattregler oder Turmdämpfungsregler entwickelt. Während diese neuen Pitchregler die Elemente der Windenergieanlagen entlasten, wird das Pitchantriebssystem stärker belastet. Die Pitchantriebe müssen weitaus häufiger bei höherer Amplitude arbeiten. Um die neuen Pitchregler nutzen zu können, muss zunächst das Problem der Materialermüdung der Pitchantriebssysteme gelöst werden. Das Getriebespiel in Getrieben und zwischen Ritzeln und dem Zahnkranz erhöht die Materialermüdung in den Pitchantriebssystemen. In dieser Studie werden als Lösung zwei Pitchantriebe pro Blatt vorgeschlagen. Die beiden Pitchantriebe erzeugen eine Spannung auf dem Pitchantriebssystem und kompensieren das Getriebespiel. Drehmomentspitzen, die eine Materialermüdung verursachen, treten bei diesem System mit zwei Pitchmotoren nicht mehr auf. Ein Reglerausgang wird via Drehmomentverteiler auf die beiden Pitchantriebe übertragen. Es werden mehrere Methoden verglichen und der leistungsfähigste Drehmomentverteiler ausgewählt. Während die Pitchantriebe in Bewegung sind, ändert sich die Spannung auf den Getrieben. Die neuen Pitchregler verstellen den Pitchwinkel in einer sinusförmigen Welle. Der Profilgenerator, der derzeit als Pitchwinkelregler verwendet wird, kann eine Phasenverzögerung im sinusförmigen Pitchwinkel verursachen. Zusätzlich erzeugen große Windenergieanlagen eine hohe Last, die sich störend auf die Pitchbewegung auswirkt. Änderungen der viskosen Reibung und Nichtlinearität der Gleitreibung bzw. Coulombsche Reibung des Pitchregelsystems erschweren zudem die Entwicklung eines Pitchwinkelreglers. Es werden zwei robuste Regler (H∞ und μ–synthesis ) vorgestellt und mit zwei herkömmlichen Reglern (PD und Kaskadenregler) verglichen. Zur Erprobung des Pitchantriebssystems und des Pitchwinkelreglers wird eine Prüfanordnung verwendet. Da der Kranz nicht mit einem Positionssensor ausgestattet ist, wird ein Überwachungselement entwickelt, das die Kranzposition meldet. Neben den beiden Pitchantrieben sind zwei Lastmotoren mit dem Kranz verbunden. Über die beiden Lastmotoren wird das Drehmoment um die Pitchachse einer Windenergieanlage simuliert. Das Drehmoment um die Pitchachse setzt sich zusammen aus Schwerkraft, aerodynamischer Kraft, zentrifugaler Belastung, Reibung aufgrund des Kippmoments und der Beschleunigung bzw. Verzögerung des Rotorblatts. Das Blatt wird als Zweimassenschwinger modelliert. Große Windenergieanlagen und neue Pitchregler für die Anlagen erfordern ein neues Pitchantriebssystem. Als Hardware-Lösung bieten sich zwei Pitchantriebe an mit einem robusten Regler als Software.

Blackbody emission under laser excitation of silicon nanopowder produced by plasma-enhanced chemical-vapor deposition

Previous results concerning radiative emission under laser irradiation of silicon nanopowder are reinterpreted in terms of thermal emission. A model is developed that considers the particles in the powder as independent, so under vacuum the only dissipation mechanism is thermal radiation. The supralinear dependence observed between the intensity of the emitted radiation and laser power is predicted by the model, as is the exponential quenching when the gas pressure around the sample increases. The analysis allows us to determine the sample temperature. The local heating of the sample has been assessed independently by the position of the transverse optical Raman mode. Finally, it is suggested that the photoluminescence observed in porous silicon and similar materials could, in some cases, be blackbody radiation

Gas collisions and pressure quenching of the photoluminescence of silicon nanopowder grown by plasma-enhanced chemical vapor deposition

The quenching of the photoluminescence of Si nanopowder grown by plasma-enhanced chemical vapor deposition due to pressure was measured for various gases ( H2, O2, N2, He, Ne, Ar, and Kr) and at different temperatures. The characteristic pressure, P0, of the general dependence I(P)=I0exp(-P/P0) is gas and temperature dependent. However, when the number of gas collisions is taken as the variable instead of pressure, then the quenching is the same within a gas family (mono- or diatomic) and it is temperature independent. So it is concluded that the effect depends on the number of gas collisions irrespective of the nature of the gas or its temperature

Quantification of the bond-angle dispersion by Raman spectroscopy and the strain energy of amorphous silicon

A thorough critical analysis of the theoretical relationships between the bond-angle dispersion in a-Si, Δθ, and the width of the transverse optical Raman peak, Γ, is presented. It is shown that the discrepancies between them are drastically reduced when unified definitions for Δθ and Γ are used. This reduced dispersion in the predicted values of Δθ together with the broad agreement with the scarce direct determinations of Δθ is then used to analyze the strain energy in partially relaxed pure a-Si. It is concluded that defect annihilation does not contribute appreciably to the reduction of the a-Si energy during structural relaxation. In contrast, it can account for half of the crystallization energy, which can be as low as 7 kJ/mol in defect-free a-Si

Filter for Car Tracking Based on Acceleration and Steering Angle

The motion of a car is described using a stochastic model in which the driving processes are the steering angle and the tangential acceleration. The model incorporates exactly the kinematic constraint that the wheels do not slip sideways. Two filters based on this model have been implemented, namely the standard EKF, and a new filter (the CUF) in which the expectation and the covariance of the system state are propagated accurately. Experiments show that i) the CUF is better than the EKF at predicting future positions of the car; and ii) the filter outputs can be used to control the measurement process, leading to improved ability to recover from errors in predictive tracking.

The effect of flow field & geometry on the dynamic contact angle

A number of recent experiments suggest that, at a given wetting speed, the dynamic contact angle formed by an advancing liquid-gas interface with a solid substrate depends on the flow field and geometry near the moving contact line. In the present work, this effect is investigated in the framework of an earlier developed theory that was based on the fact that dynamic wetting is, by its very name, a process of formation of a new liquid-solid interface (newly “wetted” solid surface) and hence should be considered not as a singular problem but as a particular case from a general class of flows with forming or/and disappearing interfaces. The results demonstrate that, in the flow configuration of curtain coating, where a liquid sheet (“curtain”) impinges onto a moving solid substrate, the actual dynamic contact angle indeed depends not only on the wetting speed and material constants of the contacting media, as in the so-called slip models, but also on the inlet velocity of the curtain, its height, and the angle between the falling curtain and the solid surface. In other words, for the same wetting speed the dynamic contact angle can be varied by manipulating the flow field and geometry near the moving contact line. The obtained results have important experimental implications: given that the dynamic contact angle is determined by the values of the surface tensions at the contact line and hence depends on the distributions of the surface parameters along the interfaces, which can be influenced by the flow field, one can use the overall flow conditions and the contact angle as a macroscopic multiparametric signal-response pair that probes the dynamics of the liquid-solid interface. This approach would allow one to investigate experimentally such properties of the interface as, for example, its equation of state and the rheological properties involved in the interface’s response to an external torque, and would help to measure its parameters, such as the coefficient of sliding friction, the surface-tension relaxation time, and so on.

Seasonal variations of the physical and optical characteristics of Saharan Dust: results from the Dust outflow and Deposition to the Ocean (DODO) experiment

North African dust is important for climate through its direct radiative effect on solar and terrestrial radiation and its role in the biogeochemical system. The Dust Outflow and Deposition to the Ocean project (DODO) aimed to characterize the physical and optical properties of airborne North African dust in two seasons and to use these observations to constrain model simulations, with the ultimate aim of being able to quantify the deposition of iron to the North Atlantic Ocean. The in situ properties of dust from airborne campaigns measured during February and August 2006, based at Dakar, Senegal, are presented here. Average values of the single scattering albedo (0.99, 0.98), mass specific extinction (0.85 m^2 g^-1 , 1.14 m^2 g^-1 ), asymmetry parameter (0.68, 0.68), and refractive index (1.53--0.0005i,1.53--0.0014i) for the accumulation mode were found to differ by varying degrees between the dry and wet season, respectively. It is hypothesized that these differences are due to different source regions and transport processes which also differ between the DODO campaigns. Elemental ratios of Ca/Al were found to differ between the dry and wet season (1.1 and 0.5, respectively). Differences in vertical profiles are found between seasons and between land and ocean locations and reflect the different dynamics of the seasons. Using measurements of the coarse mode size distribution and illustrative Mie calculations, the optical properties are found to be very sensitive to the presence and amount of coarse mode of mineral dust, and the importance of accurate measurements of the coarse mode of dust is highlighted.