Silicon-based nanowires: Top-down fabrication and mechanical behavior
Başlık çevirisi mevcut değil.
- Tez No: 540227
- Danışmanlar: DOÇ. DR. BURHANETTİN ERDEM ALACA
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 135
Özet
Elektronik/elektromekanik sistemlerin ve sensörlerin teknolojik gelismelerinin ve gereksinimlerinin karsılanabilmesi için, gerekli cihaz boyutları sürekli olarak degismekte ve nano boyutlu yapıların mikroelektromekanik sistemlerle (MEMS) entegrasyonu oldukça önem kazanmaktadır. Bu entegre nano boyutlu yapılar, MEMS teknolojilerinin hali hazırdaki özelliklerini gelistirmekte veya yeni fonksiyonaliteler eklemektedir. Bu amaçla kullanılmak üzere bir dizi malzeme üzerine çalısılmaya baslanmıs ve Silikon (Si) ve Silika (SiO2) temelli bir boyutlu nano yapılar öne çıkmıstır. Bu tez kapsamında bu yapılar, toplu üretim yöntemleri ve mekanik tepkileri ile birlikte çalısılmıstır. Silikon açısından, bu çalısma kapsamında toplu üretime uygun bir üretim yöntemi gelistirilmistir.Bu amaçla, silikon nanotellerin 10 mikron kalınlıgındaki SOI MEMS cihazla yüksek çözünürlüklü litografi ve iki kademeli silisyum asındırma yöntemiyle yekpare entegrasyonu sunulmustur. Bu teknik iki mertebelik ölçeklendirme farkını kapsayan mükemmel hassasiyete sahip bir birlesik sistemle sonuçlanmıstır. Entegrasyon sürecinin basarısı degerlendirilmistir. Tez kapsamında raporlanmıs olan metodoloji nanotellerin MEMS cihazının üst yüzeyine yerlestirilmesine imkan saglamaktadır, böylece olası gelecek yüzey islemlerini kolaylastırmaktadır. SOI MEMS cihazlarında yekpare entegrasyonun literatürde raporlanmıs ilk çalısması olarak, gelecekte nanoteknolojinin MEMS cihazlarla kullanılabilmesi için imkan saglamaktadır. Bahsedilen üretim çalısmalarına ek olarak, minimum 28 nm olmak üzere farklı kesit geometrilerindeki asılı üretilmis olan Si nanotellerin taramalı elektron mikroskobunda gerçeklestirilen bükme testleri ile mekanik olarak nitelendirme çalısmaları yapılmistır. Hem analitik hem nümerik hesaplama teknikleri kullanılarak geometri-bazli mekanik yumusama (en düsük elastisite modülü 62 GPa olmak üzere) ve kırılganlık güç degerlerindeki artıs (10-20 GPa aralıgında) belirlenmistir. Tüm bu sonuçlar literatürle kıyaslanmıs ve dogrulanmıstır. Bu çalısmalara ek olarak, bir boyutlu SiO2 temelli teknolojiler açısından, silika nanotellerin üretimi için uygun maliyetli ve güvenilir bir alternatif olarak gelistirilen silsesquioxane temelli öncülerin elektron demetleriyle islenmesi incelenmis ve raporlanmıstır. SiO2 nanoteller derin asındırma (DRIE) prosesiyle serbestlestirilmistir ve silikon nanotel entegrasyon çalısmasında detaylıca anlatılan metodoloji vasıtasıyla MEMS cihazlarla kolayca entegre edilebilir durumdadır. Bu çalısmadaki ana hedef farklı nanotel geometrilerinin güvenilir bir sekilde üretiminin saglanması ve silika nanotellerin mekanik karakterizasyonudur. Kırılma olmaksızın 10 mikron'ye varan muazzam sapmalar ile superplastik davranıs gözlemlenmistir. Elastik davranıstan sapmanın tahmini için büyük elastik sekil degistirmeler için gelistirilen model ile bükme testleri vasıtasıyla mekanik karakterizasyon gerçeklestirilmistir. Baslangıç plastisitesi varlıgında 0.1-0.4 GPa kritik gerilme degerleri gözlemlenmistir. Raporlanmıs üretim metodolojisi yarı iletken üretim teknolojileriyle uyumludur, böylece silika nanotellerin elektromekanik cihazlarda kullanılmasına imkan saglayabilmektedir. Bu tezde sunulan Si üretim teknigi literatürde Si nanotellerin MEMS cihazlarına yekpare entegrasyonunun yüzey islemlerine olanak saglayan ilk örnegidir. Bahsi geçen ve kırılganlık verileri listelenmis olan bu Si nanoteller aynı zamanda kuru asındırma yöntemiyle üretilmis olup belirtilen geometrik ölçege sahip ilk örnektir. Bu tezdeki baska bir çalısma uygun maliyetli öncüler kullanarak oldukça hizalı ve kırılma olmadan yüksek deformasyonlara dayanabilen silica nanoteller elde etmeye yarayan yeni bir yaklasımla sonuçlanmıstır.
Özet (Çeviri)
To keep the pace of technological advancement and meet requirements in electronic/electromechanical systems and sensors, device dimensions constantly evolve and the integration of nanoscale building blocks with microelectromechanical systems (MEMS) become crucial. These integrated nanoscale building blocks add new functionalities as well as improve the existing performance of MEMS technologies. A number of candidate materials emerged for this purpose, where one-dimensional nanostructures of Silicon (Si) and Silica (SiO2) attract increasing interest. These building blocks along with their batch-compatible manufacturing and mechanical response are studied as the subject of this thesis. In the case of Si, a batch-compatible fabrication technology is developed in this study. For this purpose, a monolithic integration methodology of silicon nanowires with a 10-micron-thick silicon-on-insulator (SOI) MEMS device is proposed through the combination of high-resolution lithography and a two-step Si etching approach. This technique leads to an assembly of ultimate precision, where a 2-order-of-magnitude scale difference is spanned. The success of integration is evaluated. The reported methodology allows nanowires to be placed on the top surface of the MEMS device providing ease of access for further processes. As the first reported study in literature demonstrating such monolithic integration in SOI MEMS devices, this work presents a way for scaling down to nano in MEMS devices for future. In addition to the aforementioned fabrication studies, mechanical characterization of suspended Si nanowires with different cross-sectional geometries with a minimum dimension of 28 nm is carried out through bending tests within a scanning electron microscope. Both analytical and numerical computational analyses are carried out to determine the geometry-dependent loss of stiffness (down to a minimum value of 62 GPa in elastic modulus) and increase in the fracture strength (in a range of 10 to beyond 20 GPa). Both results are compared and validated through literature. Furthermore, in the cases of SiO2, an affordable and reliable methodology for fabricating silica nanowires from silsesquioxane-based precursors by e-beam patterning is investigated and reported in this study. SiO2 nanowires are released through a deep reactive ion etching process and can easily be integrated with a MEMS device following a methodology such as the introduced in the case of silicon. In this study, the main focus was placed on achieving a reliable fabrication of different nanowire geometries and mechanical characterization of resulting silica nanowires. Superplastic behavior with enormous deflections reaching 10-micron is achieved without fracture. Mechanical characterization through bending tests along with a large-deformation elastic model is utilized for predicting the deviation from the elastic behavior. A critical stress level of 0.1-0.4 GPa is observed for the onset plasticity. The reported fabrication methodology is compatible with semiconductor manufacturing technologies for possible utilization of silica nanowires in electromechanical devices. The Si fabrication technique demonstrated in this thesis is the first example in literature of monolithically integrating Si nanowires on MEMS devices where nanowire surface processes are viable. The associated Si nanowires are also the first reported samples in the literature within the given geometric scale that are fabricated by dry etching whose fracture strength data is provided. Another study in this thesis results in a novel approach to obtain silica nanowires that are highly aligned and can sustain large deformations without fracture by using affordable precursors.
Benzer Tezler
- Scale dependence in mechanical behavior of silicon nanowires
Silikon nanotellerde mekanik davranışın ölçek bağımlılığı
SINA ZARE PAKZAD
Doktora
İngilizce
2024
Makine MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BURHANETTİN ERDEM ALACA
- Silicon nanowires: Monolithic fabrication in thick silicon layers and nanomechanical testing
Silisyum nanotellerin kalin silisyum katmaninda yekpare üretimi ve nanomekaniksel testi
ZÜHAL TAŞDEMİR
Doktora
İngilizce
2015
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BURHANETTİN ERDEM ALACA
- A MEMS-based microtensile testing method for Si nanowires
Si nanoteller için MEMS temelli mikrogerme test yöntemi
BERKAY GÜMÜŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
Makine MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. B. ERDEM ALACA
- A new composite resonator architecture based on coupled vertical NW arrays
Kuplajlanmmış dikey nanotel dizileri tabanlı yeni bir kompozit çınlaç mimarisi
YASİN KILINÇ
Doktora
İngilizce
2017
Makine MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Bilim Dalı
DOÇ. DR. BURHANETTİN ERDEM ALACA
- Design, fabrication and characterization of subwavelength-scale distance sensors based on optical directional coupling
Optik yönlü bağlaşım temelli dalgaboyu-altı mesafe ölçüm sensörlerinin tasarımı, imalatı ve karakterizasyonu
SHAHAB BAKHTIARI GORAJOOBI
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ERDAL BULĞAN