Dynamics of spontaneous emission from SiN with two-dimensional photonic crystals

We investigated the dynamics of spontaneous emission from a photonic crystal etched into a SiN slab. After fitting the decay curves of the emission to double exponential functions, we divided the dynamic process of the spontaneous emission into a fast process and a slow process. It was observed that the presence of the photonic crystal increased the proportion of the fast decay component, and consequently, the emission rate and time-integrated emission intensity were also enhanced. These enhancements were a result of the coupling of the guide modes to the leaky modes of the photonic crystal slab waveguide. (C) 2008 Optical Society of America.

Metal catalysis-free, direction-controlled planar growth of single-crystalline alpha-Si3N4 nanowires on Si(100) substrate

Single-crystalline alpha-Si3N4 nanowires are controlled to grow perpendicular to the wet-etched trenches in the SiO0.94 film on the plane of the Si substrate without metal catalysis. A detailed characterization is carried out by scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM). The photoluminescence at 600 nm from alpha-Si3N4 nanowires is attributed to the recombination at the defect state formed by the Si dangling bond N3 equivalent to Si-center dot. The growth mechanism is considered to be related to the catalysis and nitridation of SiO nanoclusters preferably re-deposited around the inner corner of the trenches, as well as faster Si diffusion along the slanting side walls of the trenches. This simple direction-controlled growth method is compatible with the CMOS process, and could facilitate the fabrication of alpha-Si3N4 nanoelectronic or nanophotonic devices on the Si platform.

ENHANCEMENT EFFECT OF PLASMA-ENHANCED CHEMICAL-VAPOR-DEPOSITED SIN CAPPING LAYER ON DIELECTRIC CAP QUANTUM-WELL DISORDERING

Quantum well disordering of GaAs/AlGaAs multiple quantum well(MQW) has been accomplished with only plasma enhanced chemical vapor deposited (PECVD) SiN cap layer growth. The amount of blue shift increases with SiN growing time. This result has been explained by the vacancy indiffusion during PECVD SiN growth. Rapid thermal annealing (RTA) of the sample after SiN cap layer growth at 850 degrees C for 35 s caused a larger amount of blue shift than those obtained without RTA. By considering the model of Al diffusion from AlGaAs barrier into GaAs QWs together with the result from photoluminescence (PL) measurement, Al diffusion coefficients were calculated. The Al diffusion coefficient due to PECVD SiN was estimated at about 3 x10(-17) cm(2)/s. It was possible to extract the effect of RTA on the QW disordering, which showed that the amount of the blue shift and the Al diffusion coefficient due only to RTA increases with SiN cap layer thickness as reported by Chi et al.(10))

The influence of tip performance on scanning probe lithography

Scanning probe lithography (SPL), employing the tip of an atomic force microscope to mechanically pattern various materials in nanoscale region has provided a simple but significant method for making nanostructures. We use this technique for the lithography of several kinds of substrate surfaces. The tip performance has been found to be a crucial factor in the lithographic process. Four types of cantilevers are employed in nanolithography, including standard silicon nitride (DNP), tapping mode(TM) etched silicon (TESP(W)), uncoated silicon cantilever (NSC21/50) and conductive platinum/iridium-coated probe. Results demonstrate that tips with smaller spring constants can not be used for physically scribing and nanomanipulating in our experiment. The possible mechanism of our experiment is discussed.

Lorentz TEM investigation of the switching behavior in artificial spin ice building blocks

Frustration – the inability to simultaneously satisfy all interactions – occurs in a wide range of systems including neural networks, water ice and magnetic systems. An example of the latter is the so called spin-ice in pyrochlore materials [1] which have attracted a lot of interest not least due to the emergence of magnetic monopole defects when the ‘ice rules’ governing the local ordering breaks down [2]. However it is not possible to directly measure the frustrated property – the direction of the magnetic moments – in such spin ice systems with current experimental techniques. This problem can be solved by instead studying artificial spin-ice systems where the molecular magnetic moments are replaced by nanoscale ferromagnetic islands [3-8]. Two different arrangements of the ferromagnetic islands have been shown to exhibit spin ice behaviour: a square lattice maintaining four moments at each vertex [3,8] and the Kagome lattice which has only three moments per vertex but equivalent interactions between them [4-7]. Magnetic monopole defects have been observed in both types of lattices [7-8]. One of the challenges when studying these artificial spin-ice systems is that it is difficult to arrive at the fully demagnetised ground-state [6-8].
Here we present a study of the switching behaviour of building blocks of the Kagome lattice influenced by the termination of the lattice. Ferromagnetic islands of nominal size 1000 nm by 100 nm were fabricated in five island blocks using electron-beam lithography and lift-off techniques of evaporated 18 nm Permalloy (Ni80Fe20) films. Each block consists of a central island with four arms terminated by a different number and placement of ‘injection pads’, see Figure 1. The islands are single domain and magnetised along their long axis. The structures were grown on a 50 nm thick electron transparent silicon nitride membrane to allow TEM observation, which was back-coated with a 5 nm film of Au to prevent charge build-up during the TEM experiments.
To study the switching behaviour the sample was subjected to a magnetic field strong enough to magnetise all the blocks in one direction, see Figure 1. Each block obeys the Kagome lattice ‘ice-rules’ of “2-in, 1-out” or “1-in, 2-out” in this fully magnetised state. Fresnel mode Lorentz TEM images of the sample were then recorded as a magnetic field of increasing magnitude was applied in the opposite direction. While the Fresnel mode is normally used to image magnetic domain structures [9] for these types of samples it is possible to deduce the direction of the magnetisation from the Lorentz contrast [5]. All images were recorded at the same over-focus judged to give good Lorentz contrast.
The magnetisation was found to switch at different magnitudes of the applied field for nominally identical blocks. However, trends could still be identified: all the blocks with any injection pads, regardless of placement and number, switched the direction of the magnetisation of their central island at significantly smaller magnitudes of the applied magnetic field than the blocks without injection pads. It can therefore be concluded that the addition of an injection pad lowers the energy barrier to switching the connected island, acting as a nucleation site for monopole defects. In these five island blocks the defects immediately propagate through to the other side, but in a larger lattice the monopoles could potentially become trapped at a vertex and observed [10].
References

[1] M J Harris et al, Phys Rev Lett 79 (1997) p.2554.
[2] C Castelnovo, R Moessner and S L Sondhi, Nature 451 (2008) p. 42.
[3] R F Wang et al, Nature 439 (2006) 303.
[4] M Tanaka et al, Phys Rev B 73 (2006) 052411.
[5] Y Qi, T Brintlinger and J Cumings, Phys Rev B 77 (2008) 094418.
[6] E Mengotti et al, Phys Rev B 78 (2008) 144402.
[7] S Ladak et al, Nature Phys 6 (2010) 359.
[8] C Phatak et al, Phys Rev B 83 (2011) 174431.
[9] J N Chapman, J Phys D 17 (1984) 623.
[10] The authors gratefully acknowledge funding from the EPSRC under grant number EP/D063329/1.

Multilayered micro/nanocrystalline CVD diamond coatings for biotribology

In the present work multilayered micro/nanocrystalline (MCD/NCD) diamond coatings were developed by Hot Filament Chemical Vapour Deposition (HFCVD). The aim was to minimize the surface roughness with a top NCD layer, to maximize adhesion onto the Si3N4 ceramic substrates with a starting MCD coating and to improve the mechanical resistance by the presence of MCD/NCD interfaces in these composite coatings. This set of features assures high wear resistance and low friction coefficients which, combined to diamond biocompatibility, set this material as ideal for biotribological applications. The deposition parameters of MCD were optimized using the Taguchi method, and two varieties of NCD were used: NCD-1, grown in a methane rich gas phase, and NCD-2 where a third gas, Argon, was added to the gas mixture. The best combination of surface pre-treatments in the Si3N4 substrates is obtained by polishing the substrates with a 15 μm diamond slurry, further dry etching with CF4 plasma for 10 minutes and final ultrasonic seeding in a diamond powder suspension in ethanol for 1 hour. The interfaces of the multilayered CVD diamond films were characterized with high detail using HRTEM, STEM-EDX and EELS. The results show that at the transition from MCD to NCD a thin precursor graphitic film is formed. On the contrary, the transition of the NCD to MCD grade is free of carbon structures other than diamond, as a result of the richer atomic hydrogen content and of the higher substrate temperature for MCD deposition. At those transitions, WC nanoparticles were found due to contamination from the filament, being also present at the first interface of the MCD layer with the silicon nitride substrate. In order to study the adhesion and mechanical resistance of the diamond coatings, indentation and particle jet blasting tests were conducted, as well as tribological experiments with homologous pairs. Indentation tests proved the superior behaviour of the multilayered coatings that attained a load of 800 N without delamination, when compared to the mono and bilayered ones. The multilayered diamond coatings also reveal the best solid particle erosion resistance, due to the MCD/NCD interfaces that act as crack deflectors. These results were confirmed by an analytical model on the stress field distribution based on the von Mises criterion. Regarding the tribological testing under dry sliding, multilayered coatings also exhibit the highest critical load values (200N for Multilayers with NCD-2). Low friction coefficient values in the range μ=0.02- 0.09 and wear coefficient values in the order of ~10-7 mm3 N-1 m-1 were obtained for the ball and flat specimens indicating a mild wear regime. Under lubrication with physiological fluids (HBSS e FBS), lower wear coefficient values ~10-9-10-8 mm3 N-1 m-1) were achieved, governed by the initial surface roughness and the effective contact pressure.

Self-mated tribological systems based on multilayer micro/nanocrystalline CVD diamond coatings

The tribological response of multilayer micro/nanocrystalline diamond coatings grown by the hot filament CVD technique is investigated. These multigrade systems were tailored to comprise a starting microcrystalline diamond (MCD) layer with high adhesion to a silicon nitride (Si3N4) ceramic substrate, and a top nanocrystalline diamond (NCD) layer with reduced surface roughness. Tribological tests were carried out with a reciprocating sliding configuration without lubrication. Such composite coatings exhibit a superior critical load before delamination (130–200 N), when compared to the mono- (60–100 N) and bilayer coatings (110 N), considering ∼10 µm thick films. Regarding the friction behaviour, a short-lived initial high friction coefficient was followed by low friction regimes (friction coefficients between 0.02 and 0.09) as a result of the polished surfaces tailored by the tribological solicitation. Very mild to mild wear regimes (wear coefficient values between 4.1×10−8 and 7.7×10−7 mm3 N−1 m−1) governed the wear performance of the self-mated multilayer coatings when subjected to high-load short-term tests (60–200 N; 2 h; 86 m) and medium-load endurance tests (60 N; 16 h; 691 m).

Transfer of ultrasmall iron oxide nanoparticles from human brain-derived endothelial cells to human glioblastoma cells.

Nanoparticles (NPs) are being used or explored for the development of biomedical applications in diagnosis and therapy, including imaging and drug delivery. Therefore, reliable tools are needed to study the behavior of NPs in biological environment, in particular the transport of NPs across biological barriers, including the blood-brain tumor barrier (BBTB), a challenging question. Previous studies have addressed the translocation of NPs of various compositions across cell layers, mostly using only one type of cells. Using a coculture model of the human BBTB, consisting in human cerebral endothelial cells preloaded with ultrasmall superparamagnetic iron oxide nanoparticles (USPIO NPs) and unloaded human glioblastoma cells grown on each side of newly developed ultrathin permeable silicon nitride supports as a model of the human BBTB, we demonstrate for the first time the transfer of USPIO NPs from human brain-derived endothelial cells to glioblastoma cells. The reduced thickness of the permeable mechanical support compares better than commercially available polymeric supports to the thickness of the basement membrane of the cerebral vascular system. These results are the first report supporting the possibility that USPIO NPs could be directly transferred from endothelial cells to glioblastoma cells across a BBTB. Thus, the use of such ultrathin porous supports provides a new in vitro approach to study the delivery of nanotherapeutics to brain cancers. Our results also suggest a novel possibility for nanoparticles to deliver therapeutics to the brain using endothelial to neural cells transfer.

Role of Phosphorylation of the Oxysterol Binding Protein (OSBP) in (PI(4)P) and Sterol-Containing Membrane Recognition and Binding

Studies have demonstrated that the oxysterol binding protein (OSBP) acts as a phosphatidylinositol phosphate (PIP)-sterol exchanger at membrane contact sites (MCS) of the endoplasmic reticulum (ER) and Golgi. OSBP is known to pick up phosphatidylinositol-4-phosphate (PI(4)P) from the ER, transfer it to the trans-Golgi in exchange for a cholesterol molecule that is then transferred from the trans-Golgi to the ER. Upon further examination of this pathway by Ridgway et al. (1), it appeared that phosphorylation of OSBP played a role in the localization of OSBP. The dephosphorylation state of OSBP was linked to Golgi localization and the depletion of cholesterol at the ER. To mimic the phosphorylated state of OSBP, the mutant OSBP-S5E was designed by Ridgway et al. (1). The lipid and sterol recognition by wt-OSBP and its phosphomimic mutant OSBP-S5E were investigated using immobilized lipid bilayers and dual polarization interferometry (DPI). DPI is a technique in which the protein binding affinity to immobilized lipid bilayers is measured and the binding behavior is examined through real time. Lipid bilayers containing 1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DOPC) and varying concentrations of PI(4)Ps or sterols (cholesterol or 25-hydroxycholesterol) were immobilized on a silicon nitride chip. It was determined that wt-OSBP binds differently to PI(4)P-containing bilayers compared to OSBP-S5E. The binding behavior suggested that wt-OSBP extracts PI(4)P and the change in the binding behavior, in the case of OSBP-S5E, suggested that the phosphorylation of OSBP may prevent the recognition and/or extraction of PI(4)P. In the presence of sterols, the overall binding behavior of OSBP, regardless of phosphorylation state, was fairly similar. The maximum specific bound mass of OSBP to sterols did not differ as the concentration of sterols increased. However, comparing the maximum specific bound mass of OSBP to cholesterol with oxysterol (25-hydroxycholesterol), OSBP displayed nearly a 2-fold increase in bound mass. With the absence of the wt-OSBP-PI(4)P binding behavior, it can be speculated that the sterols were not extracted. In addition, the binding behavior of OSBP was further tested using a fluorescence based binding assay. Using 22-(N-(7-nitrobenz-2-oxa-1,3-diazol-4-yl)amino)-23,24-bisnor-5-cholen-3β-ol (22-NBD cholesterol), wt-OSBP a one site binding dissociation constant Kd, of 15 ± 1.4 nM was determined. OSBP-S5E did not bind to 22-NBD cholesterol and Kd value was not obtained.

Fabrication des films microstructurés et leurs caractéristiques en spectroscopie de résonance des plasmons de surface

Cette thèse caractérise les propriétés optiques des matériaux plasmoniques microstructurés et procède à l’évaluation des paramètres analytiques afin de les employer comme plateforme de biodétection en spectroscopie de résonance des plasmons de surface (SPR). Aux dimensions micrométriques, les matériaux plasmoniques présentent des caractéristiques optiques propres aux nano- et macromatériaux. La cartographie physicooptiques en SPR de matériaux méso- et microscopiques s’est effectuée à l’aide de films structurés de motifs périodiques triangulaires et circulaires fabriqués par une technique modifiée de lithographie par nanosphères (nanosphere lithography, NSL). À partir de cette vue d’ensemble, quelques films structurés ont été sélectionné en fonction d’aspects analytiques tels que la sensibilité et la résolution face aux variations d’indice de réfraction (RI) pour déterminer le potentiel de ces matériaux comme plateforme de biodetection. Les propriétés optiques distinctes des films microstructurés proviennent d’interactions résonantes entre les modes de plasmons de surface (SP) localisé et délocalisé identifiés par la relation de dispersion en SPR ainsi que l’imagerie Raman. Les conditions de résonance des modes SP dépendant de paramètres expérimentaux (λ, θ, η) tel qu’observés numériquement par rigorous coupled wave analysis (RCWA) et empiriquement. Ces travaux démontrent la nature plasmonique distincte des micro-matériaux et leur potentiel d’intégration aux techniques analytiques SPR existantes. Les matériaux plasmoniques micrométriques furent également étudiés pour l’implémentation de la SPR à une pointe de microscopie à force atomique (atomic force microscopy, AFM) combinant ainsi la spectroscopie à l’imagerie topographique. Des travaux préliminaires se sont concentrés sur la signature spectroscopique de leviers en silicium (Si) et en nitrure de silicium (Si3N4), l’impact d’un revêtement d’or sur les pointes et l’influence de milieu environnant. Une image d’origine plasmonique a été obtenue avec des leviers en Si3N4 revêtus d’or en transmission dans un environnement aqueux, indiquant ainsi le potentiel de ces pointes comme micro-biocapteur SPR. Ces résultats préliminaires servent de fondement pour orienter les prochaines investigations dans ce projet.

Low-Cost Micromechanically Tunable Optical Devices: Strained Resonator Engineering, Technological Implementation and Characterization

The rapid growth of the optical communication branches and the enormous demand for more bandwidth require novel networks such as dense wavelength division multiplexing (DWDM). These networks enable higher bitrate transmission using the existing optical fibers. Micromechanically tunable optical microcavity devices like VCSELs, Fabry-Pérot filters and photodetectors are core components of these novel DWDM systems. Several air-gap based tunable devices were successfully implemented in the last years. Even though these concepts are very promising, two main disadvantages are still remaining. On the one hand, the high fabrication and integration cost and on the other hand the undesired adverse buckling of the suspended membranes. This thesis addresses these two problems and consists of two main parts: • PECVD dielectric material investigation and stress control resulting in membranes shape engineering. • Implementation and characterization of novel tunable optical devices with tailored shapes of the suspended membranes. For this purposes, low-cost PECVD technology is investigated and developed in detail. The macro- and microstress of silicon nitride and silicon dioxide are controlled over a wide range. Furthermore, the effect of stress on the optical and mechanical properties of the suspended membranes and on the microcavities is evaluated. Various membrane shapes (concave, convex and planar) with several radii of curvature are fabricated. Using this resonator shape engineering, microcavity devices such as non tunable and tunable Fabry-Pérot filters, VCSELs and PIN photodetectors are succesfully implemented. The fabricated Fabry-Pérot filters cover a spectral range of over 200nm and show resonance linewidths down to 1.5nm. By varying the stress distribution across the vertical direction within a DBR, the shape and the radius of curvature of the top membrane are explicitely tailored. By adjusting the incoming light beam waist to the curvature, the fundamental resonant mode is supported and the higher order ones are suppressed. For instance, a tunable VCSEL with 26 nm tuning range, 400µW maximal output power, 47nm free spectral range and over 57dB side mode suppresion ratio (SMSR) is demonstrated. Other technologies, such as introducing light emitting organic materials in microcavities are also investigated.

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.

Spontane Strukturbildung in Mehrschichtsystemen unter Verwendung Molekularer Gläser

Den Schwerpunkt dieser Dissertation bildet zum einen die Entwicklung eines theoretischen Modells zur Beschreibung des Strukturbildungsprozesses in organisch/anorganischen Doppelschichtsystemen und zum anderen die Untersuchung der Übertragbarkeit dieser theoretisch gewonnenen Ergebnisse auf reale Systeme. Hierzu dienen systematische experimentelle Untersuchungen dieses Phänomens an einem Testsystem. Der Bereich der selbstorganisierenden Systeme ist von hohem wissenschaftlichen Interesse, erlaubt er doch die Realisierung von Strukturen, die nicht den Begrenzungen heutiger Techniken unterliegen, wie etwa der Beugung bei lithographischen Verfahren. Darüber hinaus liefert ein vertieftes Verständnis des Strukturbildungsprozesses auch eine Möglichkeit, im Falle entsprechender technischer Anwendungen Instabilitäten innerhalb der Schichtsysteme zu verhindern und somit einer Degradation der Bauteile entgegenzuwirken. Im theoretischen Teil der Arbeit konnte ein Modell im Rahmen der klassischen Elastizitätstheorie entwickelt werden, mit dessen Hilfe sich die Entstehung der Strukturen in Doppelschichtsystemen verstehen läßt. Der hier gefundene funktionale Zusammenhang zwischen der Periode der Strukturen und dem Verhältnis der Schichtdicken von organischer und anorganischer Schicht, wird durch die experimentellen Ergebnisse sehr gut bestätigt. Die Ergebnisse zeigen, daß es technologisch möglich ist, über die Vorgabe der Schichtdicke in einem Materialsystem die Periodizität der entstehenden Strukturen vorzugeben. Darüber hinaus liefert das vorgestellte Modell eine Stabilitätsbedingung für die Schichtsysteme, die es ermöglicht, zu jedem Zeitpunkt die dominierende Mode zu identifizieren. Ein Schwerpunkt der experimentellen Untersuchungen dieser Arbeit liegt auf der Strukturbildung innerhalb der Schichtsysteme. Das Testsystem wurde durch Aufbringen einer organischen Schicht - eines sog. Molekularen Glases - auf ein Glassubstrat realisiert, als Deckschicht diente eine Siliziumnitrid-Schicht. Es wurden Proben mit variierenden Schichtdicken kontrolliert erwärmt. Sobald die Temperatur des Schichtsystems in der Größenordnung der Glasübergangstemperatur des jeweiligen organischen Materials lag, fand spontan eine Strukturbildung auf Grund einer Spannungsrelaxation statt. Es ließen sich durch die Wahl einer entsprechenden Heizquelle unterschiedliche Strukturen realisieren. Bei Verwendung eines gepulsten Lasers, also einer kreisförmigen Wärmequelle, ordneten sich die Strukturen konzentrisch an, wohingegen sich ihre Ausrichtung bei Verwendung einer flächenhaften Heizplatte statistisch verteilte. Auffällig bei allen Strukturen war eine starke Modulation der Oberfläche. Ferner konnte in der Arbeit gezeigt werden, daß sich durch eine gezielte Veränderung der Spannungsverteilung innerhalb der Schichtsysteme die Ausrichtung der Strukturen (gezielt) manipulieren ließen. Unabhängig davon erlaubte die Variation der Schichtdicken die Realisierung von Strukturen mit einer Periodizität im Bereich von einigen µm bis hinunter zu etwa 200 nm. Die Kontrolle über die Ausrichtung und die Periodizität ist Grundvoraussetzung für eine zukünftige technologische Nutzung des Effektes zur kontrollierten Herstellung von Mikro- bzw. Nanostrukturen. Darüber hinaus konnte ein zunächst von der Strukturbildung unabhängiges Konzept eines aktiven Sensors für die optische Raster-Nahfeld-Mikroskopie vorgestellt werden, das das oben beschriebene System, bestehend aus einem fluoreszierenden Molekularen Glas und einer Siliziumnitrid-Deckschicht, verwendet. Erste theoretische und experimentelle Ergebnisse zeigen das technologische Potential dieses Sensortyps.