In der vorliegenden Arbeit wurde die Verwendung der kostengünstigen aber sauerstoffaffinen Legierungselemente Mangan, Silizium und Chrom in pulvermetallurgisch hergestellten Sinterstählen untersucht. Das Einbringen der Legierungselemente erfolgte mit Hilfe unterschiedlicher Masteralloysysteme. In der vorliegenden Arbeit wurden insgesamt 18 chemisch unterschiedliche, niedriglegierte Sinterstähle entwickelt und untersucht.

In dieser Arbeit wird die Beschichtung von Substraten mit Hilfe einer Ultraschallsprühanlage beschrieben. Es wurden Dispersionen aus Siliziumnanopartikeln und Organosiliziumpräkursoren genutzt, um Beschichtungen mit verschiedenen Dicken im Bereich von einigen hundert Nanometern bis zu mehreren Mikrometern auf verschiedenen metallischen Substraten zu erzeugen. Anschließend wurden diese der Blitzlampentemperung (FLA) unterzogen. Bei dünnen Beschichtungen mit Dicken von ca. 19 µm wurden nach der Blitzlampentemperung Filme auf dem Substrat erzeugt. Es wurden unterschiedliche Objektgrößen nach der Blitzlampentemperung in Abhängigkeit von dem Umgebungsdruck und der Pulslänge beobachtet. Bei dickeren Beschichtungen mit Dicken von ca. 38 µm bzw. 57 µm wurden selbstablösende Folien aus Silizium bei moderaten Pulsenergien von 4 J/cm² und durch das Anlegen von 5∙10-3 mbar Unterdruck während der Blitzlampentemperung hergestellt. Durch die Verwendung von Pulslängen mit 17,5 ms und Energien von bis zu 60 J/cm² wurden aus den ca. 38 µm dicken Beschichtungen nach der Blitzlampentemperung durch Übertragung auf ein Molybdänsubstrat ultradünne Siliziumschichten mit 280 nm Schichtdicke erzeugt. Mit Hilfe von Siliziumpresslingen wurde die maximale Eindringtiefe der Energie bei der Blitzlampentemperung ermittelt. Diese wurden bei verschiedenen Pulslängen und Energien mit der Blitzlampe getempert. Durch das Brechungsvermögen der Presslinge wurde an diesen sowohl die Oberfläche als auch durch Querschnittsaufnahmen die Sinterung bzw. das Schmelzen in der Tiefe nach der Blitzlampentemperung untersucht. Der Einfluss der Blitzlampentemperung auf die Polymorphie und die Kristallinität von Bis-mut(III)oxiden wurde untersucht. Die Charakterisierung der Siliziumfolien, Siliziumschichten und Siliziumpresslinge als auch der Bismut(III)oxide erfolgte unter anderem mittels Röntgenpulverdiffraktometrie, Rasterelektronenmikroskopie sowie Röntgenphotoelektronenspektroskopie.

Rapid and reliable diagnostics of a disease represents one of the main focuses of today’s academic and industrial research in the development of new sensor prototypes and improvement of existing technologies. With respect to demographic changes and inhomogeneous distribution of the clinical facilities worldwide, especially in rural regions, a new generation of miniaturized biosensors is highly demanded offering an easy deliverability, low costs and sample preparation and simple usage. This work focuses on the integration of nanosized electronic structures for high-specific sensing applications into adequate microfluidic structures for sample delivery and liquid manipulation. Based on the conjunction of these two technologies, two novel sensor platforms were prototyped, both allowing label-free and optics-less electrochemical detection ranging from molecular species to eukaryotic micron-sized human cells.:Table of Figures List of Tables Abbreviations List of Symbols 1 Introduction 1.1 Motivation 1.2 State of the art 1.3 Scope of this thesis 2 Fundamentals 2.1 Sensors at the nanoscale 2.2 Transistors technology 2.2.1 p-n junction 2.2.3 The MOSFET 2.2.4 The ISFET and BioFET 2.3 Impedance measurements for biodetection 2.3.1 Electrical impedance spectroscopy 2.3.2 Electrical impedance cytometry 2.4 Microfluidics 2.4.1 Definition 2.4.2 Droplet-based microfluidics 2.5 Biomarkers for sensing applications 2.5.1 Peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) 2.5.2 Physical parameters 3. Material and methods 3.1 General 3.1.1 Materials and chemicals 3.1.2 Surface cleaning 3.2 Lithography 3.2.1 Electron beam lithography 3.2.2 Laser lithography 3.2.3 UV lithography 3.2.4 Soft lithography 3.3 Thermal deposition of metals 3.4 APTES functionalization 3.4.1 Fluorescent labeling of APTES 3.5 Measurement devices 3.5.1 SiNW FET measurements 3.5.2 Electrical Impedance cytometry measurements 3.6 Bacteria and cell cultivation 3.6.1 PBMC purification and treatment 3.6.2 Bacteria cultivation 4. Compact nanosensors probe microdroplets 4.1 Overview 4.2 Fabrication 4.2.1 SiNW FET fabrication 4.2.2 SiNW FET modification for top-gate sensing 4.3 Electrical characterization 4.4 Flow-focusing droplet generation 4.4.1 Flow-focusing geometry 4.4.2 Flow-focusing droplet characterization 4.4.3 Microfluidic integration 4.5 Deionized water droplet sensing 4.6 Phosphate-buffered saline (PBS) droplet sensing 4.6.1 Influence of the droplet’s ionic concentration 4.6.2 Plateau formation in dependence of the droplet’s settling time 4.6.3 Droplet analysis by their ratio 4.6.4 Dependence on pH value 4.6.5 Long time pH sensing experiment 4.6.6 Dependence on ionic concentration 4.7 Tracking of reaction kinetics in droplets 4.7.1 Principle and setup of the glucose oxidase (GOx) enzymatic test 4.7.2 GOx enzymatic assay 4.8 Stable baseline by conductive carrier phase 5. Impedance-based flow cytometer on a chip 5.1 Overview 5.2 Overview of the fabrication of the sensor device 5.3 COMSOL simulation of sensing area 5.3.1 Prototyping of the sensing geometry 5.3.2 Optimization of the sensing geometry 5.3.3 Evaluation of the working potential 5.3.4. Scaling of the sensing area 5.4 Fabrication of the nanoelectronic sensing structure 5.4.1 Nanofabrication and analysis 5.4.2 Evaluation of the proximity effect 5.5 Microcontacting of nanostructured sensing structures 5.6 Electrical characterization of the sensing structure 5.6.1 Characterization in alternating current 5.6.2 Characterization in direct current (DC) 5.7 Scaling effect of nanostructures in static sensing conditions 5.8 Multi-analyte detection on the sensor 5.9 Microfluidic focusing system 5.9.1 1D focusing using FITC-probed deionized water 5.9.2 2D Focusing using fluorescent microparticles 5.10 Microfluidic integration of the two technologies 5.11 Dynamic SiO2 particle detection 5.11.1 Single particle detection 5.11.2 Scatter plot representation 5.11.3 Effect of the sensing area in dynamic particle detection 5.11.4 Dynamic detection of SiO2 particles with different diameters 5.12 Detection of peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) 5.12.1 Overview 5.12.2 PBMC classification detected by impedance cytometry 5.12.3 PBMC Long-time detection 5.13 Detection of acute myeloid leukemia by impedance cytometry 5.13.1 Manual analysis of the output response 5.13.2 Learning algorithm for automatic cell classification 5.14 Exploring the detection limit of the device 6. Summary and outlook Scientific output References Acknowledgements / Rasche und zuverlässige biologische Krankheitsdiagnostik repräsentiert eines der Hauptfokusse heutiger akademischer und industrieller Forschung in der Entwicklung neuer Sensor-Prototypen und Verbesserung existierender Technologien. In bezug auf weltweite demographische Änderungen und hohe Distanzen zu Kliniken, besonders in ländlichen Gegenden, werden zusätzliche Anfordungen an neue miniaturisierte Biosensor-Generationen gestellt, wie zum Beispiel ihre Transportfähigkeit, geringe Kosten und Probenpräparation, sowie einfache Handhabung. Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Integration nanoskalierter Strukturen zur Detektion chemischer und biologischer Spezies und mikrofluidischen Kanälen zu deren Transport und zur Manipulation der Ströme. Basierend auf der Verbindung dieser beiden Technologien wurden zwei Sensor-Plattformen entwickelt, die eine markierungsfreie und nicht-optische elektrische Detektion von Molekülen bis zu eukaryotischen menschlichen Zellen erlauben.:Table of Figures List of Tables Abbreviations List of Symbols 1 Introduction 1.1 Motivation 1.2 State of the art 1.3 Scope of this thesis 2 Fundamentals 2.1 Sensors at the nanoscale 2.2 Transistors technology 2.2.1 p-n junction 2.2.3 The MOSFET 2.2.4 The ISFET and BioFET 2.3 Impedance measurements for biodetection 2.3.1 Electrical impedance spectroscopy 2.3.2 Electrical impedance cytometry 2.4 Microfluidics 2.4.1 Definition 2.4.2 Droplet-based microfluidics 2.5 Biomarkers for sensing applications 2.5.1 Peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) 2.5.2 Physical parameters 3. Material and methods 3.1 General 3.1.1 Materials and chemicals 3.1.2 Surface cleaning 3.2 Lithography 3.2.1 Electron beam lithography 3.2.2 Laser lithography 3.2.3 UV lithography 3.2.4 Soft lithography 3.3 Thermal deposition of metals 3.4 APTES functionalization 3.4.1 Fluorescent labeling of APTES 3.5 Measurement devices 3.5.1 SiNW FET measurements 3.5.2 Electrical Impedance cytometry measurements 3.6 Bacteria and cell cultivation 3.6.1 PBMC purification and treatment 3.6.2 Bacteria cultivation 4. Compact nanosensors probe microdroplets 4.1 Overview 4.2 Fabrication 4.2.1 SiNW FET fabrication 4.2.2 SiNW FET modification for top-gate sensing 4.3 Electrical characterization 4.4 Flow-focusing droplet generation 4.4.1 Flow-focusing geometry 4.4.2 Flow-focusing droplet characterization 4.4.3 Microfluidic integration 4.5 Deionized water droplet sensing 4.6 Phosphate-buffered saline (PBS) droplet sensing 4.6.1 Influence of the droplet’s ionic concentration 4.6.2 Plateau formation in dependence of the droplet’s settling time 4.6.3 Droplet analysis by their ratio 4.6.4 Dependence on pH value 4.6.5 Long time pH sensing experiment 4.6.6 Dependence on ionic concentration 4.7 Tracking of reaction kinetics in droplets 4.7.1 Principle and setup of the glucose oxidase (GOx) enzymatic test 4.7.2 GOx enzymatic assay 4.8 Stable baseline by conductive carrier phase 5. Impedance-based flow cytometer on a chip 5.1 Overview 5.2 Overview of the fabrication of the sensor device 5.3 COMSOL simulation of sensing area 5.3.1 Prototyping of the sensing geometry 5.3.2 Optimization of the sensing geometry 5.3.3 Evaluation of the working potential 5.3.4. Scaling of the sensing area 5.4 Fabrication of the nanoelectronic sensing structure 5.4.1 Nanofabrication and analysis 5.4.2 Evaluation of the proximity effect 5.5 Microcontacting of nanostructured sensing structures 5.6 Electrical characterization of the sensing structure 5.6.1 Characterization in alternating current 5.6.2 Characterization in direct current (DC) 5.7 Scaling effect of nanostructures in static sensing conditions 5.8 Multi-analyte detection on the sensor 5.9 Microfluidic focusing system 5.9.1 1D focusing using FITC-probed deionized water 5.9.2 2D Focusing using fluorescent microparticles 5.10 Microfluidic integration of the two technologies 5.11 Dynamic SiO2 particle detection 5.11.1 Single particle detection 5.11.2 Scatter plot representation 5.11.3 Effect of the sensing area in dynamic particle detection 5.11.4 Dynamic detection of SiO2 particles with different diameters 5.12 Detection of peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) 5.12.1 Overview 5.12.2 PBMC classification detected by impedance cytometry 5.12.3 PBMC Long-time detection 5.13 Detection of acute myeloid leukemia by impedance cytometry 5.13.1 Manual analysis of the output response 5.13.2 Learning algorithm for automatic cell classification 5.14 Exploring the detection limit of the device 6. Summary and outlook Scientific output References Acknowledgements

Hierarchical Kroll-carbons (KCs) with combined micro- and mesopore systems are prepared from silica and alumina templates by a reductive carbochlorination reaction of fumed silica and alumina nanoparticles inside a dense carbon matrix. The resulting KCs offer specific surface areas close to 2000 m2 g−1 and total pore volumes exceeding 3 cm3 g−1, resulting from their hierarchical pore structure. High micropore volumes of 0.39 cm3 g−1 are achieved in alumina-based KCs due to the enhanced carbon etching reaction being mainly responsible for the evolution of porosity. Mesopore sizes are uniform and precisely controllable over a wide range by the template particle dimensions. The possibility of directly recycling the process exhaust gases for the template synthesis and the use of renewable carbohydrates as the carbon source lead to a scalable and efficient alternative to classical hard- and soft templating approaches for the production of mesoporous and hierarchical carbon materials. Silica- and alumina-based Kroll-carbons are versatile electrode materials in electrochemical double-layer capacitors (EDLCs). Specific capacitances of up to 135 F g−1 in an aqueous electrolyte (1 M sulfuric acid) and 174 F g−1 in ionic liquid (1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate) are achieved when measured in a symmetric cell configuration up to voltages of 0.6 and 2.5 V, respectively. 90% of the capacitance can be utilized at high current densities (20 A g−1) and room temperature rendering Kroll-carbons as attractive materials for EDLC electrodes resulting in high capacities and high rate performance due to the combined presence of micro- and mesopores.

Silicon Nanowire (SiNW) based reconfigurable fieldeffect transistors (RFETs) provide an additional gate terminal called the program gate which gives the freedom of programming p-type or n-type functionality for the same device at runtime. This enables the circuit designers to pack more functionality per computational unit. This saves processing costs as only one device type is required, and no doping and associated lithography steps are needed for this technology. In this paper, we present a complete design flow including both logic and physical synthesis for circuits based on SiNW RFETs. We propose layouts of logic gates, Liberty and LEF (Library Exchange Format) files to enable further research in the domain of these novel, functionally enhanced transistors. We show that in the first of its kind comparison, for these fully symmetrical reconfigurable transistors, the area after placement and routing for SiNW based circuits is 17% more than that of CMOS for MCNC benchmarks. Further, we discuss areas of improvement for obtaining better area results from the SiNW based RFETs from a fabrication and technology point of view. The future use of self-aligned techniques to structure two independent gates within a smaller pitch holds the promise of substantial area reduction.

We report on a novel silicon nanowire-based field effect transistor with integrated ferroelectric gate oxide. The concept allows tuning the carrier transport in a non-volatile approach by switching the polarization in the ferroelectric layer close to the source Schottky-junction. We interpret the results in terms of tuning the transmissibility of the Schottky-junction for charge carriers. The experimental results provide a first step towards the integration of memory-in-logic concepts with reconfigurable nanowire transistors.

In der vorliegenden Arbeit wird der Nachweis erbracht, dass ein miniaturisiertes Schrittschaltwerk aus einkristallinem Silizium mittels verfügbarer Mikrotechnologien realisierbar ist. Dazu wird die aus der Feinwerktechnik bekannte mechanische Anordnung so angepasst, dass sie mit den Möglichkeiten der gewählten Technologien herstellbar wird. Eine Besonderheit ist die Verwendung flexibler Gelenke. Dadurch entfallen Montage und Justage, die Struktur ist monolithisch. Auch der Werkstoff und das Aktuationsprinzip unterscheiden sich von denen herkömmlicher Schrittschaltwerke. Wegen seiner ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften wird einkristallines Silizium ausgewählt. Bei den Antrieben kommt das elektrostatische Wirkprinzip zur Anwendung. Nach einer Einführung in das Themengebiet werden Entwurf und Herstellung des Schrittschaltwerkes behandelt. Die Beschreibung der messtechnischen Charakterisierung und ihrer Ergebnisse schließt sich an. Ein Ausblick auf mögliche Applikationen bildet den Abschluss der Arbeit.

Modeling the interaction of a silicon (Si) surface with a pointed asperity is a crucial step towards the understanding of several phenomena related to machining of this important semiconductor. If subjected to pressure or contact loading, Si undergoes a series of stress-driven phase transitions accompanied by large volume changes. We developed a finite deformation constitutive model that captures the semiconductor-to-metal (cd-Si ➙ β-Si) and metal-to-amorphous (β-Si ➙ a-Si) transitions within the framework of thermodynamics with internal variables. The model was implemented as a user material subroutine for the finite element code Abaqus/Std. in analogy to pressure sensitive, rate independent, non-associated, non-smooth multisurface plasticity. Material parameters were identified from indentation load-displacement curves in (111)-Si using a Berkovich indenter tip. The constitutive model was verified by successfully predicting the load-displacement curves for different indenters, the residual surface profile, as well as the size and shape of the transformation zone under the indenter tip as compared to TEM results.

The understanding of the electrical properties of defects introducing deep levels in silicon is of prime technological importance in modern microelectronics. In this thesis, a comprehensive study of the transition metals titanium, cobalt, and nickel in silicon, and of their interaction with hydrogen is presented. The formed defects are detected and characterized by deep level transient spectroscopy (DLTS), Laplace DLTS, and minority carrier transient spectroscopy. A natural starting point for a study of metal-hydrogen reactions in silicon is the analysis of the effect of hydrogen on metal-free silicon. Complexes of hydrogen with carbon, which create deep levels in the band gap of silicon, are observed. Titanium introduces three levels into the band gap. The charge states determined in this thesis are in contradiction to the literature, questioning the assignment of these levels. Upon hydrogenation, TiH complexes with one, two, and three hydrogen atoms are identified. A proposition by theory that two different configurations of TiH with one hydrogen atom exist, can be supported. Cobalt is shown to have only one level in the band gap of silicon, whereas a second level previously attributed to cobalt is assigned to the cobalt-boron pair. Two CoH complexes are determined. Nickel has three levels in the band gap. Upon hydrogenation, complexes with up to three hydrogen atoms are identified. One of the defects can be observed in both n - and p -type silicon. For all three metals investigated, passive hydrogen complexes exist. They are created by further hydrogenation after the appearance of the above mentioned electrically active complexes. The thesis concludes with a comparison of the obtained results with those of neighboring elements to look for similarities and patterns. / Das Verständnis der elektrischen Eigenschaften von Defekten, welche tiefe Niveaus in der Bandlücke von Silizium erzeugen, ist von außerordentlichem Interesse für die moderne Mikroelektronik. In der vorliegenden Dissertation wird eine umfassende Untersuchung der Übergangsmetalle Titan, Kobalt und Nickel in Silizium und ihrer Wechselwirkung mit Wasserstoff vorgestellt. Die entstandenen Defekte werden mit Hilfe von Kapazitätstransientenspektroskopie (DLTS - deep level transient spectroscopy), Laplace DLTS und Minoritätsladungsträgertransientenspektroskopie (MCTS - minority carrier transient spectroscopy) beobachtet und charakterisiert. Für eine fehlerfreie Analyse der Metall-Wasserstoff-Reaktionen ist es sinnvoll, zuerst den Einfluss des Wasserstoffs auf metallfreies Silizium zu prüfen. Dabei wird die Bildung von Kohlenstoff-Wasserstoff-Komplexen, welche Niveaus in der Bandlücke von Silizium erzeugen, beobachtet. Titan besitzt drei Niveaus in der Bandlücke von Silizium. Die in dieser Arbeit bestimmten Ladungszustände stehen im Widerspruch zu den Literaturangaben, daher wird die Zuordnung dieser Niveaus in Frage gestellt. Die Reaktion von Titan mit Wasserstoff führt zu elektrisch aktiven Komplexen mit bis zu drei Wasserstoffatomen. Die Ergebnisse unterstützen einen Vorschlag aus der Theorie, nach dem der Komplex mit einem Wasserstoff zwei verschiedene Konfigurationen besitzen soll. Kobalt erzeugt ein Niveau in der Bandlücke. Ein weiteres Niveau, welches früher ebenfalls dem Kobalt zugewiesen wurde, kann dem Kobalt-Bor-Paar zugeordnet werden. Nach der Reaktion mit Wasserstoff können zwei CoH-Komplexe nachgewiesen werden. Nickel besitzt drei Niveaus in der Bandlücke und erzeugt elektrisch aktive NiH-Komplexe mit bis zu drei Wasserstoffatomen. Einer dieser Defekte kann sowohl im n - als auch im p -Typ Silizium beobachtet werden. Alle drei untersuchten Metalle besitzen elektrisch passive Komplexe, welche nach der weiteren Reaktion von Wasserstoff mit den aktiven Komplexen entstehen. Die Arbeit endet mit einem Vergleich der Ergebnisse mit denen benachbarter Elemente, um mögliche Ähnlichkeiten oder Muster zu erkennen.

In der vorliegenden Arbeit wurde die Verwendung der kostengünstigen aber sauerstoffaffinen Legierungselemente Mangan, Silizium und Chrom in pulvermetallurgisch hergestellten Sinterstählen untersucht. Das Einbringen der Legierungselemente erfolgte mit Hilfe unterschiedlicher Masteralloysysteme. In der vorliegenden Arbeit wurden insgesamt 18 chemisch unterschiedliche, niedriglegierte Sinterstähle entwickelt und untersucht.