This thesis investigates the fabrication and integration of nanoscale field-effect transistors based on individual semiconducting carbon nanotubes. Such devices hold great potential for integrated circuits with large integration densities that can be manufactured on glass or flexible plastic substrates. A process to fabricate arrays of individually addressable carbon-nanotube transistors has been developed, and the electrical characteristics of a large number of transistors has been measured and analyzed. A low-temperature-processed gate dielectric with a thickness of about 6 nm has been developed that allows the transistors and circuits to operate with voltages of about 1.5 V. The transistors show excellent electrical properties, including a large transconductance (up to 10 µS), a large On/Off ratio (>10^4), a steep subthreshold swing (65 mV/decade), and negligible leakage currents (~10^-13 A). For the realization of unipolar logic circuits, monolithically integrated load resistors based on high-resistance metallic carbon nanotubes or vacuum-evaporated carbon films have been developed and analyzed by four-probe and transmission line measurements. A variety of combinational logic circuits, such as inverters, NAND gates and NOR gates, as well as a sequential logic circuit based on carbon-nanotube transistors and monolithically integrated resistors have been fabricated on glass substrates and their static and dynamic characteristics have been measured. Optimized inverters operate with frequencies as high as 2 MHz and switching delay time constants as short as 12 ns. / Thema dieser Arbeit ist die Herstellung und Integration von Feldeffekt-Transistoren auf der Grundlage einzelner halbleitender Kohlenstoffnanoröhren. Solche Bauelemente sind zum Beispiel für die Realisierung integrierter Schaltungen mit hoher Integrationsdichte auf Glassubstraten oder auf flexiblen Kunststofffolien von Interesse. Zunächst wurde ein Herstellungsverfahren für die Anfertigung einer großen Anzahl solcher Transistoren auf Glas- oder Kunststoffsubstraten entwickelt, und deren elektrische Eigenschaften wurden gemessen und ausgewertet. Das Gate-Dielektrikum dieser Transistoren hat eine Schichtdicke von etwa 6 nm, so das die Versorgungsspannungen bei etwa 1.5 V liegen. Die Transistoren haben sehr gute elektrische Parameter, z.B. einen großen Durchgangsleitwert (bis zu 10 µS), ein großes Modulationsverhältnis (>10^4), einen steilen Unterschwellanstieg (65 mV/Dekade) und vernachlässigbar kleine Leckströme (~10^-13 A). Für die Realisierung unipolarer Logikschaltungen wurden monolithisch integrierte Lastwiderstände auf der Grundlage metallischer Kohlenstoffnanoröhren mit großem Widerstand oder mittels Vakuumabscheidung erzeugter Kohlenstoffschichten entwickelt und u. a. mittels Vierpunkt- und Transferlängen-Messungen analysiert. Eine Reihe kombinatorischer Schaltungen, z.B. Inverter, NAND-Gatter und NOR-Gatter, sowie eine sequentielle Logikschaltung wurden auf Glassubstraten hergestellt, und deren statische und dynamische Parameter wurden gemessen. Optimierte Inverter arbeiten bei Frequenzen von bis zu 2 MHz und haben Signalverzögerungen von lediglich 12 ns.

Near-field microscopy is a versatile technique for non-destructive detection of optical properties on the nanometer scale. Contrary to conventional microscopy techniques, the resolution in near-field microscopy is not restricted by the diffraction limit, but by the size of the probe only. Typically, wavelength-independent resolution in the range of few ten nanometers can be achieved. Many fundamental phenomena in solid states occur at such small length scales and can be probed by infrared and THz radiation. In the present work, nanoscale charge carrier distributions were investigated with near-field microscopy in classic semiconductors and state-of-the-art graphene field-effect transistors. A CO2 laser, the free-electron laser FELBE at the Helmholtz-Zentrum Dresden Rossendorf and a photoconductive antenna were applied as radiation sources for illumination of the samples. In the theoretical part of the work, the band model for charge carriers in semiconductors is briefly explained to derive typical charge carrier densities of such materials. The influence of the charge carriers to the light-matter interaction is introduced via the Drude model and evaluated for both infrared and THz radiation. In field-effect transistors, charge carrier density waves can occur when strong AC fields are coupled into the device. The phenomena in such transistors are introduced as a more complex material system. To describe the near-field coupling of the samples to the nanoscopic probe, the dipole model is introduced and extended for periodic charge carrier density, as elicited by low repetition-rate excitation lasers. Consequently, sidebands occur as new frequencies in the signal spectrum, allowing for a more sensitive probing of such transient processes. Experimental investigations of these sidebands were performed with a CO2 laser setup on a bulk germanium sample which was excited with femtosecond laser pulses. New frequencies up to the 8th sideband could be observed. The results show a characteristic near-field decay for all sidebands when the probe-sample distance is increased. A nanoscale material contrast in the sidebands signatures has been demonstrated via near-field scans on a gold / germanium heterostructure. Near-field signatures of graphene-field effect transistors have been examined utilizing FELBE. The results match the predicted behavior of charge carriers in such a device and in particular represent the first direct observations of the plasma waves. In collaboration with the group of Prof. Dr. Hartmut G. Roskos (Goethe-Universität Frankfurt), the plasma wave velocity in the graphene field-effect transistor has been derived via fitting to the model for two datasets on different devices from independent fabrications. The obtained velocity is in good agreement with literature values. The results promise the application of field-effect transistors as THz detectors and emitters and may lead to faster communication technology.:1 Introduction 2 Fundamentals 2.1 Semiconductors 2.2 Plasma Waves in Graphene Field-Effect Transistors 2.3 Near-Field Microscopy 2.3.1 Aperture-SNOM 2.3.2 Scattering-SNOM 2.4 THz Optics 3 SNOM-Theory 3.1 Dipole Model 3.2 Detection and Demodulation 3.3 Pump-induced Sidebands in SNOM 3.4 Field Enhancement by Resonant Probes 4 Near-Field Microscope Setups 4.1 FELBE THz SNOM 4.2 Pump-modulated s-SNOM 4.3 THz Time-Domain-Spectroscopy SNOM 5 Sideband Results 5.1 Pump-induced Sidebands in Germanium 5.2 Fluence Dependence 5.3 Higher-order sidebands 5.4 Oscillation Amplitude 5.5 Technical Aspects of the Sideband Demodulation 6 Field-Effect Transistors 6.1 Device Design 6.2 Data Analysis 6.3 Near-Field Overview Scans 6.4 Plasma Wave Examination 6.5 Conclusion 7 Discussion and Outlook A Appendix A.1 Scanning Probe Microscopy A.2 Atomic Force Microscope List of Figures Bibliography / Nahfeldmikroskopie ist eine vielseite Technik für das zerstörungsfreie Auslesen von optischen Eigenschaften auf der Nanoskala. Im Gegensatz zur konventionellen Mikroskopie ist die Auflösung nicht durch Beugungseffekte, sondern durch die Größe der genutzten Sonde begrenzt. Überlicherweise werden wellenlängenunabhängig Auflösungen von einigen zehn Nanometern erreicht. Viele fundamentale Prozesse in der Festkörperphysik treten auf Längenskalen dieser Größenordnung auf und können mit Infrarot- und THz-Strahlung untersucht werden. In dieser Arbeit wurden nanoskalige Ladungsträgerverteilungen mit Rasternahfeldmikroskopie untersucht, einerseits in klassischen Halbleitern, anderseits in state-of-the-art Graphen Feldeffekttransistoren. Zur Beleuchtung der Proben wurden ein CO2 Laser, der freie-Elektronen Laser FELBE am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf und eine photoleitende Antenne verwendet. Im theoretischen Teil der Arbeit wird das Bändermodell für Ladungsträger in Halbleitern erklärt, um daraus typische Ladungsträgerdichten in diesen Materialien abzuleiten. Der Einfluss der Ladungsträger auf die Interaktion mit Strahlung wird durch das Drude-Modell eingeführt und für Infrarot- und THz-Strahlung abgeschätzt. In Graphen Feldeffekttransistoren können Ladungsträgerdichtewellen auftreten, wenn starke Wechselfelder in das Bauelement eingekoppelt werden. Die Prozesse in solchen Transistoren werden als komplexeres Materialsystem eingeführt. Um die Nahfeldkopplung der Proben an die Sonde zu beschreiben, wird das Dipol-Modell eingeführt und für periodische Ladungsträgerdichten erweitert, wie sie bspw. durch Pumplaser mit niedrigen Repetitionsraten erzeugt werden können. In der Folge entstehen Seitenbänder als neue Frequenzen im Signalspektrum, welche eine sensitivere Messung solcher transienten Prozesse ermöglichen. Experimentelle Untersuchungen des erweiterten Dipol-Modells wurden mit einem CO2 Laser Aufbau an einem Germaniumkristall durchgeführt, welcher mit Femtosekunden Laserpulsen angeregt wird. Neue Frequenzen im Spektrum konnten bis zu dem achten Seitenband beobachtet werden. Die Resultate zeigen den typischen Abfall des Nahfeldes, wenn der Abstand zwischen Sonde und Probe vergrößert wird. Ein Materialkontrast auf der Nanoskale im Seitenband-Signal konnte durch laterale Rasternahfeld-Scans auf einer Gold/Germanium Heterostruktur gezeigt werden. Die Nahfeldsignaturen der Graphen Feldeffekttransistoren wurden mit FELBE untersucht. Die Resultate stimmen mit dem vorausgesagtem Verhalten der Ladungsträger in einem solchen Bauteil überein und sind die erste direkte Beobachtung solcher Plasmawellen. In Kooperation mit der Gruppe um Prof. Dr. Hartmut G. Roskos (Goethe-Universität Frankfurt) wurde die Geschwindigkeit der Plasmawelle durch Regression der Daten berechnet. Dabei wurden zwei Datensätzen an Bauteilen von unabhängigen Fabrikationsprozessen genutzt. Die berechnete Geschwindigkeit ist in guter Übereinstimmung mit Literaturwerten. Die Resultate verheißen die Anwendung von Feldeffekttransistoren als THz Sender und Detektoren und könnten zu schnellerer Kommunikationstechnologie führen.:1 Introduction 2 Fundamentals 2.1 Semiconductors 2.2 Plasma Waves in Graphene Field-Effect Transistors 2.3 Near-Field Microscopy 2.3.1 Aperture-SNOM 2.3.2 Scattering-SNOM 2.4 THz Optics 3 SNOM-Theory 3.1 Dipole Model 3.2 Detection and Demodulation 3.3 Pump-induced Sidebands in SNOM 3.4 Field Enhancement by Resonant Probes 4 Near-Field Microscope Setups 4.1 FELBE THz SNOM 4.2 Pump-modulated s-SNOM 4.3 THz Time-Domain-Spectroscopy SNOM 5 Sideband Results 5.1 Pump-induced Sidebands in Germanium 5.2 Fluence Dependence 5.3 Higher-order sidebands 5.4 Oscillation Amplitude 5.5 Technical Aspects of the Sideband Demodulation 6 Field-Effect Transistors 6.1 Device Design 6.2 Data Analysis 6.3 Near-Field Overview Scans 6.4 Plasma Wave Examination 6.5 Conclusion 7 Discussion and Outlook A Appendix A.1 Scanning Probe Microscopy A.2 Atomic Force Microscope List of Figures Bibliography

Due to the increasing interest in low-cost, lightweight, and wearable technologies, flexible and printed electronics has become an intensive field of research during the last two decades. This research is mainly focused on the development of solution-processed organic materials, the evolution of diverse appropriate printing technologies and the enhancement of electronic device performance. Compared to conventional electronics, printed technologies allow for cheaper and easier processing but much poorer resolution, which results in comparatively large organic field effect transistor (OFET) channel lengths of a few ten microns. Reducing the channel length requires the use of additional methods such as wetting-based and non-printed approaches. The minimisation of the channel length is crucial in order to obtain higher frequencies and increasing currents. Therefore, overcoming the resolution limitation is one of the challenging topics in the field of printed electronics. In this thesis, a new approach for the realisation of fully inkjet-printed small-channel OFETs is investigated. For this purpose, a piezoelectric Drop-on-Demand (DOD) inkjet printer with 10 pl printheads is employed. This approach involves a self-aligned, dewetting-based technique for the reproducible fabrication of source and drain electrodes with homogeneous and well-controllable channel lengths down to 4 μm. For the realisation of these electrodes, a water-based, hydrophobic nanoparticle (NP) dispersion is initially printed and dried at room temperature in order to spontaneously form a thin hydrophobic twin-line of few microns due to the so-called coffee ring effect (CRE). This mechanism is responsible for the migration of the NPs from the center to the edge of the printed line during evaporation. An alcohol-based silver NP ink is subsequently printed on the hydrophobic lines and self-aligned to split into two separated source and drain electrodes. Dispersions with different materials such as polytetrafluoroethylene (PTFE) and fluoroplastic NPs, different particle sizes and concentrations are evaluated in order to optimize the twin line deposition and the dewetting of the silver ink. Optimum dispersions are printed, then characterised on untreated polyethylene naphthalate (PEN) foils and oxygen plasma treated dielectrics such as cross-linked poly-4-vinylphenol (c-PVP) and cross-linked polymethyl methacrylate (c-PMMA). To evaluate the influencing parameters on the twin-line deposition, a model is developed for the calculation of the printed rivulet width and the electrode gap, which is determined by the width of the hydrophobic ring. These dimensions are investigated as functions of the printing parameters, NP concentration, line geometry, and wetting properties. Multiple simulations are used to determine the influence of each parameter on the twin-line deposition and calculate the critical channel length, below which the dewetting of the conductive ink on the hydrophobic line is no more possible. Based on the simulation results, the optimum parameters are used to control the gap between the printed source and drain electrodes. The underlying mechanism is finally employed for the realisation of fully inkjet-printed OFETs on plastic substrates with small channel lengths and a bottom gate bottom contact configuration (BGBC). For this purpose, a silver NP ink is used for the electrodes, a PTFE NP dispersion is printed on c-PVP and a small-molecule 6,13-Bis(triisopropylsilylethynyl)pentacene (TIPS-pentacene) solution is used for the semiconducting layer. Multiple small-channel OFET arrays are furthermore fabricated with a good reproducibility of the channel length and a high yield, which proves the industrial applicability of the proposed approach. / Die Integration kostengünstiger, leichter und tragbarer Technologien gewinnt zunehmend an Interesse. Dies führt kontinuierlich zu einer rasanten Zunahme der Forschungsaktivitäten im Bereich der flexiblen und gedruckten Elektronik. Der Fokus liegt hierbei überwiegend auf der Entwicklung organischer Materialien, Herstellung von geeigneten Druckverfahren und Verbesserung der Leistungsfähigkeit gedruckter elektronischer Bauteile. Ein ausschlaggebender Vorteil der gedruckten gegenüber der konventionellen Elektronik liegt darin, dass sie eine preiswerte und einfache Prozessierung ermöglicht. Die Beeinträchtigung dieser jungen Technologie ist immer noch die schwächere Auflösung, welche zur Erstellung von organischen Feldeffekttransistoren (OFETs) mit vergleichbar größeren Kanallängen von einigen zehn Mikrometern führt. Die Reduzierung der Kanallänge erfordert die Verwendung zusätzlicher Hilfsmethoden z.B. oberflächenspannungsstrukturiertes Drucken oder “non-printing”-Technologien. Die Minimierung der Kanallänge ist entscheidend, um höhere Frequenzen und Ströme zu erzielen. Daher ist die Optimierung der Auflösung ein wesentlicher Parameter, um die Technologie weiter zu entwickeln. Die vorliegende Arbeit stellt ein neu entwickeltes Verfahren zur Realisierung von All-Inkjet-gedruckten OFETs mit kleinen Kanallängen dar. Hierbei wird ein Drop- on-Demand (DOD) Inkjet-Drucker mit 10pl-Druckköpfen eingesetzt. Dieses Verfahren basiert auf einem oberflächenspannungsabhängigen Ansatz für die reproduzierbare Erstellung von Source- und Drainelektroden mit homogenen und kontrollierbaren Kanallängen bis 4 μm. Beim Erstellen dieser Elektroden wird zuerst eine wasserbasierte Dispersion mit hydrophoben Nanopartikeln gedruckt und bei Raumtemperatur getrocknet. Während der Trocknungsphase wird der sogenannte Kaffeeringeffekt (CRE) zu Nutze gemacht. So führt der CRE zur Migration der Nanopartikeln vom Zentrum bis zum Rand der gedruckten Struktur. Diese gerichtete Migration bewirkt eine spontane Erstellung einer dünnen hydrophoben Doppellinie mit einer Breite von nur wenigen Mikrometern. In einem weiteren Schritt wird eine alkoholbasierte Silbernanopartikeltinte über die hydrophobe Linie gedruckt. Aufgrund der niedrigen Oberflächenenergie der darunter befindlichen hydrophoben Linie, teilt sich die leitfähige Tinte in zwei voneinander getrennte Strukturen, die zunächst als Source- und Drainelektroden eingesetzt werden. Um dieses Verfahren zu optimieren, werden im Rahmen dieser Arbeit Dispersionen mit verschiedenen hydrophoben Materialien wie Teflon- oder fluoroplastische Nanopartikeln unterschiedlicher Partikelgrößen und Konzentrationen untersucht. Die optimale Dispersion wird darauffolgend auf unbehandelten PEN-Folien und sauerstoffplasmabehandelten Dielektrika wie vernetztem Poly-4-Vinylphenol (c- PVP) und vernetztem Polymethylmethacrylat (c-PMMA) gedruckt und anschließend charakterisiert. Um den Einfluss verschiedener Parameter auf dieses Verfahren zu evaluieren, wurde ein Modell für die Berechnung der Breiten der gedruckten Struktur und der getrockneten hydrophoben Doppellinie, die den Elektrodenabstand bestimmt, entwickelt. Diese Dimensionen werden in Abhängigkeit verschiedener Druckparameter, Nanopartikelkonzentrationen, Liniengeometrien und Benetzungseigenchaften untersucht. Zunächst werden Simulationen durchgeführt, um den Einfluss von jedem Parameter auf die Doppellinienentstehung zu bestimmen. Dieses Modell ist ebenfalls erforderlich für die Berechnung der kritischen Kanallänge, unter welcher keine Entnetzung der leitfähigen Tinte auf der hydrophoben Linie mehr möglich ist. Die gewonnenen Simulationsergebnisse bzw. die optimalen Parameter werden für die Kontrolle des Abstands zwischen den Source- und Drainelektroden beim Drucken eingesetzt. Das beschriebene Verfahren wird zur Realisierung von All-Inkjet-gedruckten OFETs mit kleinen Kanallängen auf Plastiksubstraten in einer Bottom-Gate-Bottom-Contact-Konfiguration (BGBC) verwendet. Die benutzten Materialien bestehen aus einer Silbernanopartikeltinte für die Source-, Drain- und Gateelektroden, c-PVP für das Dielektrikum und TIPS-Pentacen für den Halbleiter. Multiple OFET-Arrays werden zum Schluss mit hoher Reproduzierbarkeit der Kanallängen und hoher Ausbeute gedruckt, um die industrielle Anwendbarkeit des vorgestellten Verfahren zu zeigen.

Two thienoacene dimers based on the thieno[3,2-b]thiophene moiety were efficiently synthesized, characterized and evaluated as active hole-transporting layers in organic thin-film field-effect transistors. Both compounds behaved as active p-channel organic semi-conductors showing averaged hole mobility of up to 1.33 cm² V⁻¹ s⁻¹.

In dieser Arbeit wird eine neue Methode und ein neuartiges FET -Sensorelement zum Nachweis von Flüssigkeitsbewegungen vorgestellt, das zudem bei Bedarf auch als Chemo- oder Biosensor fungieren kann. Das Einsatzspektrum von FET-basierten Sensoren in Lab on a Chip-Systemen wird dadurch entscheidend erweitert. Bei dem entwickelten FET-Sensor Bauelement handelt es sich um einen normally-on n-leitenden Dünnschichtfeldeffekttransistor mit Ti-Au-Kontakten, basierend auf Silicon-on-Insulator- Substraten, wobei das natürliche Oxid des Siliziumfilms als Schnittstelle zum Elektrolyten bzw. zur Flüssigkeit verwendet wird. Der mit 10exp16 Bor Atomen pro cm³ p-dotierte Siliziumdünnfilm hat eine Dicke von nur 55 nm und ist durch eine 95 nm dicke Siliziumdioxidschicht vom darunterliegenden Siliziumsubstrat von 600 µm Dicke elektrisch isoliert. Aufgrund der geringen Schichtdicke durchdringt die feldempfindliche Raumladungs- bzw. Verarmungszone die gesamte Dünnschicht, so dass durch Anlegen einer Backgatespannung am Substrat der spezifische Widerstand und die Empfindlichkeit des Bauelements eingestellt werden können. Grundlegende ISFET-Funktionalitäten wie die Empfindlichkeit auf Änderungen der Ionenstärke und des pH-Wertes werden nachgewiesen und ein ENFET-Glukosesensor realisiert. Zudem wird im Hinblick auf die Separation von Emulsionen der Nachweis erbracht, dass die Benetzung mit Hexan und Toluol eine Änderung der spezifischen Leitfähigkeit bewirkt, und die Empfindlichkeit des Bauelements nach Beschichtung mit einem hydrophoben Methacrylatcopolymerfilm erhalten bleibt. Hinsichtlich der Verwendung des FET-Sensor Bauelements zum Nachweis von Flüssigkeitsbewegungen wird zunächst ein theoretisches Modell entwickelt, dessen Kernaussage ist, dass sich in einem rechteckigen Kanal der relative Bedeckungsgrad mit Flüssigkeit direkt proportional zum Drainstrom des FET-Sensors verhält. Basierend auf diesem theoretischen Modell, welches experimentell belegt wird, können mittels eines einzelnen FET-Sensors Füllstand und Füllgeschwindigkeit bzw. bei bekannter Füllgeschwindigkeit Kapillarvolumen und Kapillargeometrie bestimmt werden. Abweichungen von der direkten Proportionalität erlauben zudem, Rückschlüsse auf die Benetzungseigenschaften der Kapillaren und die Dynamik an der Halbleitergrenzfläche zu ziehen. Ist ein Sensorelement vollständig mit Flüssigkeit bedeckt, wird mittels Lösungsmitteltropfen als Markerobjekten die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt. Ändert sich die Ionenkonzentration im Elektrolyten als Funktion der Strömungsgeschwindigkeit, so kann die Strömungsgeschwindigkeit durch Messung der Ionenkonzentration mittels FET-Sensor ebenfalls ermittelt werden. Als wichtigster Demonstrator für die Verwendung des FET-Sensors wird ein komplexes Lab on a Chip-System zur Separation von Emulsionen auf chemisch strukturierten Oberflächen entwickelt, bei dem der Separationsvorgang mittels FET-Sensorarray verfolgt werden kann. Zur einfachen Herstellung chemisch modifizierter Oberflächen für die Separationsexperimente werden die Abscheidung von nanoskaligen hydrophoben Methacrylatcopolymerfilmen und die selektive Fluorsilanisierung von Oberflächen sowie deren Lösungsmittelbeständigkeit in Wasser, Toluol und Aceton untersucht. Dabei zeigt sich, dass die Hydrophobie nach Lösungsmittelbehandlung weitestgehend erhalten bleibt, Wasserrückstände im Methacrylatfilm aber zu einer reversiblen Schichtdegradation führen können. Als Modellsystem werden Hexan-Wasser- bzw. Toluol-Wasser-Emulsionen verwendet, die auf Oberflächen getrennt werden, deren eine Seite hydrophil, und deren andere Seite hydrophob ist (Stufengradient). Der Separationsprozess beruht auf der großen Affinität des Wassers hin zu polaren Oberflächen, wobei das wenig selektive Lösungsmittel zur unpolaren Seite gedrängt wird. Zur Erlangung eines tieferen Verständnisses des Prozesses werden die Tropfenkoaleszenz und der Einfluss geometrischer Beschränkungen untersucht. Die Versuche werden sowohl auf offenen Oberflächen als auch im Spalt, unter Verwendung von hydrophilen und hydrophoben Oberflächen, durchgeführt. Es zeigt sich, dass sich die Dynamik der Tropfenkoaleszenz im Spalt umgekehrt zur Dynamik auf offenen Oberflächen verhält. Dies wird mittels eines hierzu entwickelten theoretischen Modells erklärt, welches die Minimierung der Oberflächenenergie und Hystereseeffekte einbezieht. Das Lab on a Chip-System schließlich besteht aus einem mit Siliziumnitrid beschichteten FET-Sensorchip, auf den eine Separationszelle aufgeklebt ist. Neben dem Einlass für die Emulsion ist ein weiterer Einlass vorhanden, durch den Salzsäure für eine pH-Reaktion zugegeben werden kann. Der gesamte Separationsprozess sowie die anschließende pH-Reaktion, lassen sich bequem am PC anhand der Änderung der Stromstärke der einzelnen Sensoren verfolgen und analysieren. Wichtige Ergebnisse hier sind: 1) Mittels eines quasi 1-dimensionalen Sensorarrays kann der Verlauf einer Flüssigkeitsfront in einem 2-dimensionalen Areal überwacht bzw. dargestellt werden. 2) Anhand der Signatur des Signalverlaufs bei pH-Änderung und Flüssigkeitsbewegung, können beide Prozesse unterschieden werden. Der Sensor kann also zum Nachweis von Flüssigkeitsbewegungen und zugleich als Chemosensor eingesetzt werden. Es wurde also nicht nur ein neuartiges, äußerst robustes, chemikalienbeständiges und biokompatibles Multifunktionssensorelement mit Abmessungen im Mikrometer- bis Millimeterbereich entwickelt, sondern auch eine neue Methode entwickelt, mit der es möglich ist, sowohl (bio-)chemische Reaktionen als auch die Bewegung von Flüssigkeiten in Lab on a Chip-Systemen nachzuweisen.

Kohlenstoffnanoröhren (engl. carbon nanotubes, CNT) verfügen über eine Vielzahl von herausragenden und möglicherweise nutzbringenden Eigenschaften. Die kontrollierte Integration von CNT in technische Systeme stellt noch immer eine große Herausforderung dar. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden neue Methoden für den Aufbau von Strukturen und Bauelementen aus CNT entwickelt, die auf Selbstorganisation bzw. bottom-up assembly basieren. Dabei kamen sowohl biochemische als auch physikalische Verfahren zum Einsatz. Einzelsträngige DNA wurde verwendet um CNT in wässrigen Medien zu suspendieren und zu vereinzeln. Beides sind wichtige Voraussetzungen, um die günstigen elektronischen Eigenschaften der CNT zugänglich zu machen. DNA-CNT-Suspensionen wurden sowohl spektroskopisch in ihrer Gesamtheit als auch kraftmikroskopisch auf molekularer Ebene untersucht. So konnten wesentliche Parameter des Herstellungsprozesses optimiert werden, um Suspensionen mit einem hohen Gehalt an langen, sauberen, vereinzelten CNT zu erhalten. Durch die Verwendung von funktionalisierten DNA-Molekülen ist es gelungen, Halbleiterquantenpunkte und Goldkolloide an CNT anzubinden. Im Fall der Quantenpunkte gelang dies mit Hilfe der Biotin-Streptavidin Bindung unter Anwendung des Prinzips der molekularen Erkennung. Die Anbindung dieser Nanopartikel kann als Prototyp für den DNA-vermittelten Strukturaufbau aus CNT angesehen werden. Zur Deposition von CNT in Elektrodenstrukturen wurde ein auf Dielektrophorese beruhendes Verfahren eingesetzt. Dabei ist es gelungen, die wesentlichen Parameter zu identifizieren, die für die Morphologie der abgeschiedenen CNT entscheidend sind. So konnte die Dichte der CNT-Verbindungen zwischen Elektroden von einzelnen Verbindungen über wenige bis hin zu sehr vielen parallel assemblierten CNT eingestellt werden. Durch ein sich selbst steuerndes Hintereinanderlagern von CNT war es möglich auch Elektroden zu verbinden, deren Abstand größer war als die Länge der verwendeten CNT. Durch gezieltes Eliminieren metallischer CNT-Strompfade nach der Deposition ist es gelungen, CNT-Feldeffekttransistoren (CNT-FETs) mit Schaltverhältnissen von bis zu sieben Dekaden herzustellen. Auch dieses Verfahren ist skalierbar und unkompliziert, da es sich selbst steuert. Es ist skalierbar und deshalb auch für technische Anwendungen geeignet. An Hand des Beispiels der Detektion von Ethanoldampf konnte gezeigt werden, dass die über Dielektrophorese aufgebauten CNT-FETs auch als Sensoren eingesetzt werden können. Durch eine Kombination der dielektrophoretischen Deposition von CNT und dem dielektrophoretisch gesteuerten Wachstum metallischer Nanodrähte konnte eine neuartige Hybridstruktur aus CNT und Palladium-Nanodrähten erzeugt werden. Ein solches Verfahren ist eine Voraussetzung für den Aufbau integrierter nanoskaliger Schaltkreise. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen zahlreiche Möglichkeiten auf, verschiedenartige nanoskopische Objekte miteinander integrieren, um neue Anwendungen zu ermöglichen.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden die technologischen Ansätze zur Erzeugung von Mikro-Kavitäten als Grundlage zur Entwicklung und Erprobung neuer Konzepte der MEMS-basierten Aktoren und Sensoren erfolgreich eingesetzt. Im Verlauf der Integration eines IR-Emitters wurde der SON-Prozess weiterentwickelt, um eine hohe und homogene Verteilung der Dotierstoffe innerhalb der SON-Membran zu erreichen. Dabei wurde ein technologischer Ablauf entwickelt, welcher die genannten Randbedingungen erfüllt und darüber hinaus eine optimierte Herstellung anbietet, indem die zeitaufwändige Formierung der Kavität in einem Batch- anstatt eines RTP-Ofens erfolgt. Die Opferschichttechnik wurde bei der Integration von beiden vorgestellten Bauelementen eingesetzt und mit Rücksicht auf die einzelnen Randbedingungen angepasst. So konnte z. B. eine Kavität mit einer Höhe von 700 nm zur Abdeckung von IR-Emitter hergestellt werden, wodurch die thermische Isolation verbessert wurde. Im Konzept des druckempfindlichen Feldeffekttransistors wurde eine Opferschicht mit einer Dicke von 70 nm verwendet, um die Größe der Gate-Kapazität so anzupassen, dass der hergestellte Transistor steuerbar und druckempfindlich ist. Somit konnten die Flexibilität und das Potenzial der beiden Prozessknotenpunkte verdeutlicht werden.:Symbolverzeichnis Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Einführung zum Thema 1.2 Technologien zur Herstellung von Mikro-Kavitäten für MEMS 1.2.1 Silicon-On-Nothing Technologie 1.2.2 Opferschichttechnik 2 Das neue Konzept einer breitbandigen Infrarotquelle 2.1 Grundlegende Ideen der Infrarot-Sensorik 2.1.1 Wechselwirkung von Infrarotstrahlung mit CO2-Gas 2.1.2 Prinzipielle Funktionsweise eines IR-Emitters 2.1.3 CMOS-kompatible Materialien und Integrationsmöglichkeiten eines IR-Emitters 2.1.4 Das neue Konzept eines Infrarot-Emitter-Systems basierend auf monokristallinem Silizium 2.2 Finite-Elemente-Methode-Simulation des IR-Emitter-Systems 2.2.1 Geometrievarianten 2.2.2 Temperaturabhängige elektrische Eigenschaften des Bauelements 2.2.3 Betrachtung der thermischen Verluste 2.2.4 Simulation der Wärmeentwicklung 3 Herstellung und Charakterisierung eines IR-Emitters 3.1 Module der CMOS-basierten 3D-Integration 3.1.1 FEOL - Front End of Line 3.1.2 BEOL - Back End of Line 3.2 Elektrische Charakterisierung des IR-Emitters 3.2.1 I(V)-Spektren 3.2.2 Optische Eigenschaften 3.2.3 Zeitabhängiges Verhalten 4 Das neue Konzept eines druckempfindlichen Feldeffekttransistors 4.1 Einleitung zum Konzept des Bauelements 4.1.1 Konzepte zur Herstellung von MOSFET - basierten Sensoren 4.1.2 Prinzipieller Aufbau und Funktionsweise des neuen Konzepts 4.1.3 Geometrievarianten 5 Herstellung und Charakterisierung eines druckempfindlichen Feldeffekttransistors 5.1 CMOS-basierte 3D-Integration 5.1.1 Herstellung des MEMS-Elements: FEOL - Module 5.1.2 Herstellung des MEMS-Elements: BEOL - Module 5.2 Elektrische Charakterisierung des Feldeffekttransistors 5.2.1 Ausgangskennlinienfeld unter Normaldruck 5.2.2 Eingangskennlinien und deren Besonderheiten unter Normaldruck 5.3 Verhalten des Transistors bei veränderbarem Gasdruck 5.3.1 Designvariante I 5.3.2 Designvariante II 5.3.3 Designvariante III 5.3.4 Druckmessung mit Konstantstromquelle 5.4 Optimierung der Transistoreigenschaften 5.4.1 Anpassung des Gate-Dielektrikums und der Dotierung des Kanals 5.4.2 Ausgangskennlinien unter Normaldruck nach der Optimierung 5.4.3 Eingangskennlinien unter Normaldruck nach der Optimierung 5.4.4 Druckmessung nach der Optimierung 5.4.5 Bewertung der Prozessoptimierung anhand der Referenz-Strukturen 6 Zusammenfassung und Ausblick 6.1 Zusammenfassung zum IR-Emitter 6.2 Zusammenfassung zum Drucksensor Literatur Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis

Die vorliegende Arbeit behandelt die Charakterisierung von epitaktischem Graphen auf Siliziumkarbid (0001) mittels Raman-Spektroskopie. Nach der Einführung theoretischer sowie experimenteller Grundlagen werden das Wachstum von Graphen auf Siliziumkarbid (SiC) behandelt und die untersuchten Materialsysteme vorgestellt. Es wird gezeigt, dass das Raman-Spektrum von epitaktischem Graphen auf SiC (0001) neben den Phononenmoden des Graphens und des Substrats weitere Signale beinhaltet, welche der intrinsischen Grenzflächenschicht, dem Buffer-Layer, zwischen Graphen und SiC zugeordnet werden können. Das Raman-Spektrum dieser Grenzflächenschicht kann als Abbild der phononischen Zustandsdichte interpretiert werden. Fortführend werden verspannungsinduzierte Änderungen der Phononenenergien der G- und 2D-Linie im Raman-Spektrum von Graphen untersucht. Dabei werden starke Variationen des Verspannungszustands beobachtet, welche mit der Topographie der SiC-Oberfläche korreliert werden können und erlauben, Rückschlüsse auf Wachstumsmechanismen zu ziehen. Die Entwicklung einer neuen Messmethode, bei der das Raman-Spektrum von Graphen durch das SiC-Substrat aufgenommen wird, ermöglicht die detektierte Raman-Intensität um über eine Größenordnung zu erhöhen. Damit wird die Raman-spektroskopische Charakterisierung eines Graphen-Feldeffekttransistors mit top gate ermöglicht und ein umfassendes Bild des Einflusses der Ladungsträgerkonzentration und der Verspannung auf die Positionen der G- und 2D-Raman-Linien von quasifreistehendem Graphen auf SiC erarbeitet.

Organic semiconducting polymers are widely employed in organic electronics such as organic photovoltaics (OPVs), organic field-effect transistors (OFETs) and organic light emitting diodes (OLEDs). Their remarkable mechanical and charge transport properties as well as solution processability allow low-cost fabrication of light-weight and flexible devices. Among them indacenodithiophene (IDT)-based materials are promising candidates for application in organic electronics. Due to their low energetic disorder, extended conjugation and high electron density the IDT-based polymers show high field-effect mobilities and high absorption coefficients. However, their synthesis suffers from long reaction sequences and is often accomplished using toxic materials. Commercialization requires development of more efficient and sustainable reaction pathways to ease tailoring of structures and to limit molecular defects. Herein, the development of new synthetic pathways towards IDT-based polymers is presented in which all C-C coupling steps are achieved by C-H activation – an atom-economic alternative to conventional transition-metal catalyzed cross couplings. Two different strategies were established to synthesize a series of well-defined IDT-based homo- and copolymers with different side chain patterns and varied molecular weights. The first way starts by synthesis of a precursor polymer and subsequent cyclization affording IDT homopolymers. In the second approach, cyclized IDT monomers were prepared first and then polymerized using direct arylation polycondensation (DAP) yielding IDT homo- and copolymers. The synthetic pathways were optimized in terms of maximizing molecular weights and limiting defect structures. While the first pathway enables synthesis of well-defined homopolymers, the latter is the method of choice for preparation of IDT-based copolymers in high yields and adjustable molecular weights. The polymers were further characterized in detail by optical, thermal, electrical and morphological analyses. OFETs as well as all-polymer solar cells (all-PSCs) were fabricated to investigate the influence of structural modifications and molecular weight on their optoelectronic performance. Thus, this thesis provides a comprehensive study of the structure-property correlations of IDT-based polymers and simplified synthetic protocols for the design and preparation of donor-acceptor copolymers in the future.

Inspired by neurobiological systems, Spiking Neural Networks (SNNs) are gaining an increasing interest in the field of bio-inspired machine learning. Neurons, as central processing and short-term memory units of biological neural systems, are thus at the forefront of cutting-edge research approaches. The realization of CMOS circuits replicating neuronal features, namely the integration of action potentials and firing according to the all-or-nothing law, imposes various challenges like large area and power consumption. The non-volatile storage of polarization states and accumulative switching behavior of nanoscale HfO₂ - based Ferroelectric Field-Effect Transistors (FeFETs), promise to circumvent these issues. In this paper, we propose two FeFET-based neuronal circuits emulating the Integrate-and-Fire (I&F) behavior of biological neurons on the basis of SPICE simulations. Additionally, modulating the depolarization of the FeFETs enables the replication of a biology-based concept known as membrane leakage. The presented capacitor-free implementation is crucial for the development of neuromorphic systems that allow more complex features at a given area and power constraint.