Synthese und Charakterisierung von Graphenoxid zur Beschichtung und Strukturierung von Feldeffekttransistoren

  • 1.Ziel der Diplomarbeit Ein reproduzierbares Verfahren zur Herstellung von qualitativ hochwertigen Dünnfilmen auf der Grundlage von Graphenoxid über 4-Zoll Siliziumoberflächen zur Herstellung von Feldeffekttransistoren soll in dieser Arbeit entwickelt werden. Zunächst muss das chemische Verfahren zur Abtrennung und zur Oxidation von Graphit basierend auf der Hummers-Methode in Bezug auf die Reinheit wesentlich verbessert werden. Mit dann gewonnenem hochreinem Graphenoxid werden wässrige Lösungen hergestellt, die zur Fabrikation von ultradünnen Graphenoxid-Schichten als Transducer-Material dienen sollen. Mit den Resultaten in der ersten Hälfte der Diplomarbeit, wird Graphenoxid als ein neues Transducermaterial für eine neue Generation von Feldeffektransistoren hergestellt. Im zweiten Teil der Diplomarbeit wird Graphenoxid auf Waferoberflächen erfolgreich integriert. Die Funktionstüchtigkeit der auf reduzierten Graphenoxid basierten Feldeffektranistoren wird abschließend getestet.2.Ergebnisse der Diplomarbeit Durch die Verbesserung der verwendeten Synthesevorschrift der Improved synthesis of graphene oxide (Marcano et.al.) ist es gelungen, das Basismaterial Graphenoxid mit einer höheren Güte herzustellen. Mit eben diesem Material ist es jetzt möglich mit hoher Reproduzierbarkeit auf 4-Zoll-Siliziumwafer das Graphenoxid abzuscheiden.Ein wichtiges Ergebnis neben der Beschichtung von Siliziumoberflächen mit ultradünnem Graphenoxid im Bereich weniger Nanaometer, ist die Verabreitung und Strukturierung dieses auf Kohlenstoff basierendem Nanoobjektes. Mittels mikromechanischer Verfahrenstechniken bis hin zur finalen Konfiguration eines Feldeffekttransistors (FET) ist dies im Rahmem dieser Diplomarbeit mit hohem Aufwand gelungen. Des Weiteren hat sich aufgrund der intensiven Forschungsarbeiten in diesem Zeitraum der Prozess als äußerst reproduzierbar erwiesen.Durch die Wahl umfangreicher analytischer Methoden kann Graphenoxid in seiner Eigenschaft als Nano-Material genau erforscht und in Bezug auf den Reinheitsgrad für die späteren Anwendungen hin als Transducermaterial erheblich verbessert werden. Die Kombination von Raman-Mikroskopie, Fourier Transformierte-Infrarot(FT-IR)-Spektroskopie, Ultraviolett/Visible(UV/Vis)-Spektroskopie, der Röntgendiffraktometrie (XRD) sowie der Rasterelektronenmikroskopie (REM) und der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) sind dabei die wichtigsten Methoden zur Entschlüsselung der Reinheit und der Qualität von Graphenoxid nach der synthetischen Herstellung. Während der Synthese ist dabei der Verlust an Kristallinität durch die Oxidation gleichzeitig mit der zunehmenden Amorphizität gekoppelt. Mittels Rasterkrakftmikroskopie (AFM) sind ausführliche Oberflächenanalysen möglich, mit der die Topographie des Graphenoxides erfasst werden kann. Die Graphenoxid-Schicht ist durch die einfache spin-coating Technik auf 4-Zoll-Oberflächen definitiv als geschlossenes Nanoobjekt herstellbar. Die spektroskopische Ellipsometrie ermöglicht hierzu Einblicke in die unterschiedliche Schichtdicken, die zur Aufklärung und der Prozessführung ein wichtiges Kontrollinstrument darstellt. Mit den Kontaktwinkelmessungen sind schnelle Abschätzungen über die Qualität des jeweiligen Abscheidungsprozesses möglich. Mittels der Mikromechanischen Verfahrenstechniken werden die wenigen nanometerdicken auf Graphenoxid basierenden Nanoobjekte in gewünschte Elektrodengeometrien strukturiert. Diese Graphenoxid-Schichten dienen als Transducer-Schicht zur Herstellung von Ionensensitiven Feldeffekttransistoren. Im abschließenden Teil der Diplomarbeit wird Funktionsfähigkeit geprüft, ob die hergestellten FET-Elektroden, die mit rGO beschichtet sind, tatsächlich den bipolaren Feldeffekt aufweisen.In der durchgeführten Messung wird die Gate-Spannung vertikal in die rGO Transducer-Schicht und über die Grenzfläche hinweg in PBS(Phosphate Buffered Saline)-Puffer eingespeist. Die funktionellen Gruppen des rGO, die mit den Zielmolekülen eine Bindung eingehen, führen zu einer Änderung des eingespeisten Source-Drain-Stroms. Die Änderung des Oberflächenpotentials wird dann mit der Gate-Elektrode erfasst. Es hat sich abschließend gezeigt, dass rGO tatsächlich einen Feldeffekt aufweist, wie er prinzipiell auch im Graphen vorkommt. Allerdings unterscheidet sich dieses bipolare Verhalten von rGO im Vergleich zu Graphen jedoch stark in seiner Transkonduktanz.

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Metadaten
Author:Walid-Madhat Munief
Advisor:Bernhard Gemende, Sven IngebrandtGND
Document Type:Diploma Thesis
Language:German
Name:Hochschule Kaiserslautern: Department Informatics and Microsystem Technology University of Applied Sciences Kaiserslautern. Standort Zweibrücken
Amerikastraße 1, D-66482 Zweibruecken, 66482 Zweibrücken
Date of Publication (online):2016/08/10
Year of first Publication:2016
Date of final exam:2016/08/11
GND Keyword:Graphenoxid
Page Number:126 Seiten, 49 Abb., 11 Tab., 73 Lit.
Faculty:Westsächsische Hochschule Zwickau / Physikalische Technik, Informatik
Release Date:2019/10/01