Stuttgart, Univ., Diss., 2007.

In this paper the development, the fabrication and the experimental characterisation of a novel electrodynamic-driven micro-actuator for in plane motions and a novel vertical field effect transistor (vertical FET) is presented. The micro-actuator for motion is based on the Lorentz force generated by a current in a magnetic field. The Lorentz force acting on the actuator can be controlled easily by the amplitude of the current. The vertical FET can be used for signal conversion from the mechanical to the electrical domain.  This low impedance sensing technique was realized by introducing a source and drain region in opposite of a movable mass which acts as the gate.  The channel resistance between drain and source is influenced by the movable mass working as a sensing unit.  Theoretical calculations and practical experiments of the structure are performed. Mechanical and electrical effects over a temperature range of  -40 °C to 180 °C  are investigated. / In dieser Arbeit wird ein neues Aktorarray zur Objektmanipulation und ein neues Verfahren zur Detektion mechanischer Bewegung in Komponenten der oberflächennahen Bulk-Mikromechanik vorgestellt. Die Aktorstrukturen werden mit Hilfe der SCREAM-Technologie hergestellt und arbeiten nach dem elektrodynamischen Wirkprinzip. Bei dem Verfahren zur Bewegungsdetektion wird der aus der Mikroelektronik bekannte Feldeffekt mit mikromechanischen Strukturen gekoppelt. Die Arbeit konzentriert sich auf den Aufbau, die Wirkungsweise und die Technologie der Aktor- und Sensorstrukturen. Diese werden jeweils separat dargestellt und analysiert. Am Ende wird eine Kombination beider Komponenten vorgestellt.

In der vorliegenden Arbeit werden durch den inversen piezoelektrischen Effekt kontrolliert Dehnungen in Lanthanmanganatschichten eingebracht und ihr Einfluss auf die Eigenschaften der Schichten untersucht. Dazu wird im ersten Teil der Arbeit ein Zweischichtsystem bestehend aus einer Manganatschicht aus La0,7Sr0,3MnO3, La0,8Ca0,2MnO3 oder La0,7Ce0,3MnO3 und einer piezoelektrischen Schicht aus PbZr0,52Ti0,48O3 untersucht. Der epitaktisch auf Einkristallsubstraten abgeschiedene Aufbau entspricht einer Feldeffekt-Transistor-Struktur. Neben den Effekten der Dehnung auf den elektrischen Widerstand der Manganatschicht wird auch der elektrische Feldeffekt untersucht. Durch mechanische Klemmung des Substrats können nur kleine Dehnungen in die Manganatschichten eingebracht werden. Um größere und homogene Dehnungen steuerbar in Manganatschichten einzubringen, werden im zweiten Teil der Arbeit La0,7Sr0,3MnO3 - Schichten auf piezoelektrischen Einkristallsubstraten der Verbindung (1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 - xPbTiO3 mit x = 0,28 epitaktisch abgeschieden. Der Einfluss von mechanischen Dehnungen von bis zu 0,1% auf den elektrischen Transport, die ferromagnetische Übergangstemperatur und die Magnetisierung kann so eingehend untersucht werden. Es wird ein außergewöhnlich großer Einfluss von Dehnungen auf die Eigenschaften von La0,7Sr0,3MnO3 gefunden. / In this work, strain arising from the inverse piezoelectric effect is induced into lanthanum manganite thin films in order to change and control their properties. In the first part of this work, manganite films of the compositions La0.7Sr0.3MnO3, La0.8Ca0.2MnO3 or La0.7Ce0.3MnO3 are combined with a piezoelectric layer of the composition PbZr0.52Ti0.48O3 in a bilayer system. This structure is grown epitaxially on single crystal substrates and corresponds to a field-effect transistor setup. Besides effects of strain on the electrical resistance of the manganite layers, field effects are observed. Due to clamping of the substrate, only small strains can be induced to the manganite films. In order to apply larger and homogeneous controllable strain to the manganite layers, thin films of La0.7Sr0.3MnO3 are grown epitaxially on piezoelectric single crystal substrates of the composition (1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 - xPbTiO3, x = 0.28. Strain levels up to 0.1% are reached. The influence of the strain on electrical transport, ferromagnetic transition temperature and magnetization is analyzed. A remarkably large influence of the strain on the properties of La0.7Sr0.3MnO3 is found.

In der vorliegenden Arbeit werden durch den inversen piezoelektrischen Effekt kontrolliert Dehnungen in Lanthanmanganatschichten eingebracht und ihr Einfluss auf die Eigenschaften der Schichten untersucht. Dazu wird im ersten Teil der Arbeit ein Zweischichtsystem bestehend aus einer Manganatschicht aus La0,7Sr0,3MnO3, La0,8Ca0,2MnO3 oder La0,7Ce0,3MnO3 und einer piezoelektrischen Schicht aus PbZr0,52Ti0,48O3 untersucht. Der epitaktisch auf Einkristallsubstraten abgeschiedene Aufbau entspricht einer Feldeffekt-Transistor-Struktur. Neben den Effekten der Dehnung auf den elektrischen Widerstand der Manganatschicht wird auch der elektrische Feldeffekt untersucht. Durch mechanische Klemmung des Substrats können nur kleine Dehnungen in die Manganatschichten eingebracht werden. Um größere und homogene Dehnungen steuerbar in Manganatschichten einzubringen, werden im zweiten Teil der Arbeit La0,7Sr0,3MnO3 - Schichten auf piezoelektrischen Einkristallsubstraten der Verbindung (1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 - xPbTiO3 mit x = 0,28 epitaktisch abgeschieden. Der Einfluss von mechanischen Dehnungen von bis zu 0,1% auf den elektrischen Transport, die ferromagnetische Übergangstemperatur und die Magnetisierung kann so eingehend untersucht werden. Es wird ein außergewöhnlich großer Einfluss von Dehnungen auf die Eigenschaften von La0,7Sr0,3MnO3 gefunden. / In this work, strain arising from the inverse piezoelectric effect is induced into lanthanum manganite thin films in order to change and control their properties. In the first part of this work, manganite films of the compositions La0.7Sr0.3MnO3, La0.8Ca0.2MnO3 or La0.7Ce0.3MnO3 are combined with a piezoelectric layer of the composition PbZr0.52Ti0.48O3 in a bilayer system. This structure is grown epitaxially on single crystal substrates and corresponds to a field-effect transistor setup. Besides effects of strain on the electrical resistance of the manganite layers, field effects are observed. Due to clamping of the substrate, only small strains can be induced to the manganite films. In order to apply larger and homogeneous controllable strain to the manganite layers, thin films of La0.7Sr0.3MnO3 are grown epitaxially on piezoelectric single crystal substrates of the composition (1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 - xPbTiO3, x = 0.28. Strain levels up to 0.1% are reached. The influence of the strain on electrical transport, ferromagnetic transition temperature and magnetization is analyzed. A remarkably large influence of the strain on the properties of La0.7Sr0.3MnO3 is found.

Techn. Universiẗat, Diss., 2006--Darmstadt.

In this paper the development, the fabrication and the experimental characterisation of a novel electrodynamic-driven micro-actuator for in plane motions and a novel vertical field effect transistor (vertical FET) is presented. The micro-actuator for motion is based on the Lorentz force generated by a current in a magnetic field. The Lorentz force acting on the actuator can be controlled easily by the amplitude of the current. The vertical FET can be used for signal conversion from the mechanical to the electrical domain.  This low impedance sensing technique was realized by introducing a source and drain region in opposite of a movable mass which acts as the gate.  The channel resistance between drain and source is influenced by the movable mass working as a sensing unit.  Theoretical calculations and practical experiments of the structure are performed. Mechanical and electrical effects over a temperature range of  -40 °C to 180 °C  are investigated. / In dieser Arbeit wird ein neues Aktorarray zur Objektmanipulation und ein neues Verfahren zur Detektion mechanischer Bewegung in Komponenten der oberflächennahen Bulk-Mikromechanik vorgestellt. Die Aktorstrukturen werden mit Hilfe der SCREAM-Technologie hergestellt und arbeiten nach dem elektrodynamischen Wirkprinzip. Bei dem Verfahren zur Bewegungsdetektion wird der aus der Mikroelektronik bekannte Feldeffekt mit mikromechanischen Strukturen gekoppelt. Die Arbeit konzentriert sich auf den Aufbau, die Wirkungsweise und die Technologie der Aktor- und Sensorstrukturen. Diese werden jeweils separat dargestellt und analysiert. Am Ende wird eine Kombination beider Komponenten vorgestellt.

Die markierungsfreie Detektion von molekularen Wechselwirkungen mittels Feldeffekt-basierter Sensoren ist eine vielversprechende Strategie zur Entwicklung einer neuen Generati-on von Biochips mit direkter elektrischer Auslesung und somit geeignet für schnelle, einfache und kostengünstige Analysen. In dieser Arbeit wurde als Transducer eine kapazitive Elektrolyt-Isolator-Silizium- (EIS) Struktur zur markierungsfreien elektrischen Detektion geladener Makromoleküle anhand ihrer intrinsischen Ladung verwendet. Als Modellsystem für die Untersuchung der im EIS-Sensor durch die Ausbildung „planarer“ bzw. „brush“-ähnlicher Molekülschichten induzierten Effekte wurden Polyelektrolyt-Multischichten (PEM) bzw. DNA-Moleküle verwendet. Die Adsorption der positiv und negativ geladenen Polyelektrolyt-Schichten an die Sensor-Oberfläche, sowie der Einfluss der Polyelektrolyt-Konzentration, der Ionenstärke und der Art des Elektrolyten auf das EIS-Signal wurden elektrochemisch untersucht. Zusätzlich wurde die Ausbildung der PEM physikalisch unter Verwendung eines Rasterkraftmikroskopes und der Ellipsometrie charakterisiert. Basierend auf Silizium-Isolator-Silizium-Strukturen wurde zum ersten Mal ein Mikroarray mit „Nanoplate“ EIS-Sensoren entwickelt, die alle auf einem einzigen Chip integriert waren. Dies ermöglicht mittels differenzieller Messanordnungen eine verlässliche Detektion der DNA-Hybridisierung bzw. -Denaturierung. Die Eigenschaften des Biosensors wurden durch Verwendung von Gold-Nanopartikeln für die Immobilisierung der DNA auf der Sensorober-fläche sowie durch eine niedrige Salzkonzentration im Messpuffer entscheidend verbessert. Die Ergebnisse dieser neuen Vorgehensweise wurden mittels Fluoreszenz-Mikroskopie vali-diert. Darüber hinaus wurde ein elektrostatisches Modell für einen EIS-Sensor mit einer „planaren“ und einen weiteren, mit „brush“-ähnlicher Molekularschicht entwickelt. Das Modell prognos-tiziert eine starke Abhängigkeit der Sensorsignalstärke von der Elektrolytkonzentration, der Ladungsdichte auf der Oberfläche und dem Abstand zwischen geladener Schicht und Sensor-oberfläche. Die Prognosen stimmten durchweg gut mit den experimentellen Ergebnissen überein. / Label-free detection of molecular interactions utilizing field-effect devices is one of the most attractive approaches for a new generation of biochips with direct electrical readout for a fast, simple and cost-effective analysis. In this study, a capacitive electrolyte-insulator-semiconductor (EIS) structure was used as transducer for the label-free electrical detection of charged macromolecules via their intrinsic charge. Polyelectrolyte multilayers (PEM) and DNA molecules were utilized as model systems to study the charge effects induced in EIS sensors by the formation of “planar”- and “brush”-like molecular layers, respectively. The layer-by-layer adsorption of positively and negatively charged polyelectrolyte (PE) layers onto the sensor surface as well as the influence of PE concentration, ionic strength and type of the applied electrolyte on the EIS sensor signal was electrochemically studied. In addition, the PEMs build-up was physically characterized using atomic force microscopy, scanning electron microscopy and ellipsometry. An array of on-chip integrated nanoplate EIS sensors based on a silicon-on-insulator structure was developed for the first time, enabling the reliable detection of DNA hybridiza-tion/denaturation in a differential measurement setup. Enhanced DNA biosensor characteris-tics were achieved by the immobilization of DNA molecules on the sensor surface via Au-nanoparticles and used low-concentrated buffer solution for the measurements. The results of this novel approach were validated by means of the fluorescence microscopy method. Furthermore, an electrostatic model for an EIS sensor modified with “planar”- and “brush”-like molecular layers was developed. The model predicts a strong dependence of the sensor signal on the electrolyte concentration, surface charge density and the distance between the charged layer and the sensor surface. This is consistently agreeing with the experimental re-sults.

Downscaling of the contact length Lc of a side-contacted carbon nanotube field-effect transistor (CNTFET) is challenging because of the rapidly increasing contact resistance as Lc falls below 20–50 nm. If in agreement with existing experimental results, theoretical work might answer the question, which metals yield the lowest CNT–metal contact resistance and what physical mechanisms govern the geometry dependence of the contact resistance. However, at the scale of 10 nm, parameter-free models of electron transport become computationally prohibitively expensive. In our work we used a dedicated combination of the Green function formalism and density functional theory to perform an overall ab initio simulation of extended CNT–metal contacts of an arbitrary length (including infinite), a previously not achievable level of simulations. We provide a systematic and comprehensive discussion of metal–CNT contact properties as a function of the metal type and the contact length. We have found and been able to explain very uncommon relations between chemical, physical and electrical properties observed in CNT–metal contacts. The calculated electrical characteristics are in reasonable quantitative agreement and exhibit similar trends as the latest experimental data in terms of: (i) contact resistance for Lc = ∞, (ii) scaling of contact resistance Rc(Lc); (iii) metal-defined polarity of a CNTFET. Our results can guide technology development and contact material selection for downscaling the length of side-contacts below 10 nm.

Als Graphen bezeichnet man eine einzelne freistehende Lage des Schichtkristalls Graphit. Im Gegensatz zur mechanischen Isolation von Graphit bietet die Züchtung auf Siliziumkarbid eine Methode zur großflächigen Herstellung von Graphen. Aufgrund der besonderen physikalischen Eigenschaften werden für Graphen viele verschieden Einsatzmöglichkeiten in diversen Bereichen prognostiziert. Mit seiner hohen Ladungsträgerbeweglichkeit ist Graphen besonders als Kanalmaterial für Feldeffekttransistoren (FET) interessant. Allerdings muss hierfür unter anderem ein geeignetes FET-Isolatormaterial gefunden werden. In dieser Arbeit wird eine detaillierte, theoretische Beschreibung der Graphen-FETs vorgestellt, die es erlaubt die steuerspannungsabhängige Hall-Konstante zu berechnen. Mit der dadurch möglichen Analyse können wichtige Kenngrößen, wie z. B. die Grenzflächenzustandsdichte des Materialsystems bestimmt werden. Außerdem wurden zwei Methoden zur Isolatorabscheidung auf Graphen untersucht. Siliziumnitrid, welches mittels plasmaangeregter Gasphasenabscheidung aufgetragen wurde, zeichnet sich durch seine n-dotierende Eigenschaft aus. Damit ist es vor allem für quasi-freistehendes Graphen auf Siliziumkarbid interessant. Bei der zweiten Methode handelt es sich um einen atomaren Schichtabscheidungsprozess, der ohne eine Saatschicht auskommt. An beiden Graphen- Isolator-Kombinationen wurde die neue Charakterisierung mittels der Hall-Datenanalyse angewandt.

Als Graphen bezeichnet man eine einzelne freistehende Lage des Schichtkristalls Graphit. Im Gegensatz zur mechanischen Isolation von Graphit bietet die Züchtung auf Siliziumkarbid eine Methode zur großflächigen Herstellung von Graphen. Aufgrund der besonderen physikalischen Eigenschaften werden für Graphen viele verschieden Einsatzmöglichkeiten in diversen Bereichen prognostiziert. Mit seiner hohen Ladungsträgerbeweglichkeit ist Graphen besonders als Kanalmaterial für Feldeffekttransistoren (FET) interessant. Allerdings muss hierfür unter anderem ein geeignetes FET-Isolatormaterial gefunden werden. In dieser Arbeit wird eine detaillierte, theoretische Beschreibung der Graphen-FETs vorgestellt, die es erlaubt die steuerspannungsabhängige Hall-Konstante zu berechnen. Mit der dadurch möglichen Analyse können wichtige Kenngrößen, wie z. B. die Grenzflächenzustandsdichte des Materialsystems bestimmt werden. Außerdem wurden zwei Methoden zur Isolatorabscheidung auf Graphen untersucht. Siliziumnitrid, welches mittels plasmaangeregter Gasphasenabscheidung aufgetragen wurde, zeichnet sich durch seine n-dotierende Eigenschaft aus. Damit ist es vor allem für quasi-freistehendes Graphen auf Siliziumkarbid interessant. Bei der zweiten Methode handelt es sich um einen atomaren Schichtabscheidungsprozess, der ohne eine Saatschicht auskommt. An beiden Graphen- Isolator-Kombinationen wurde die neue Charakterisierung mittels der Hall-Datenanalyse angewandt.:1 Einleitung 2 Graphen 3 Methoden 4 Die Hall-Konstante von Graphen 5 Siliziumnitrid als Dielektrikum für Graphentransistoren 6 Aluminiumoxid auf epitaktischem Graphen 7 Zusammenfassung A Anhang