Nanowire electromechanical switch as a tool forsurface characterization
Yüzey karakterizasyonunda nanotel elektromekanik anahtarın kullanımı
- Tez No: 591850
- Danışmanlar: Assoc. Prof. Dr. BURHANETTİN ERDEM ALACA
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 73
Özet
Küçültülmüş boyutların elektromekanik sistemlere faydaları, yüksek performans ve düşük güç tüketimi ile NEMS şeklinde gösterilmiştir. Silikon nanoteller (SiNW) algılama ve aktivasyon alanında dikkat çekici potansiyele sahip önde gelen cihazlardan biridir. Daha fazla özellik için minyatürizasyon yoluyla Q-faktörü ve tınlaşım frekansını geliştirirken, fiziksel özelliklerindeki değişim, boyut azalımınım doğrudan bir sonucudur. Mekanik davranışa olan boyut bağımlılığı esas olarak yüzey alanının önemli katkısına atfedilir. SiNW'in mekanik davranışı üzerindeki ölçek etkisini incelemek için çeşitli girişimler yapılmıştır. Bununla birlikte, modelleme yöntemleri hala deneysel bulgulara tam olarak uymamaktadır. Ayrıca, SiNW'in yüksek boyutlara sahip imalatı, SiNW'in mekanik özellikleri üzerindeki ölçek etkisini incelemek için zorluklar getirmektedir. Termal oksitlenme küçülmek için şimdiye kadar kullanılmıştır. Bununla birlikte, yüzey oksitlenme oluşumu ve boyutu azaltmak için yüksek sıcaklık oksitlenme süreçleri tarafından uygulanan gerilmeler, mekanik davranışın belirlenmesi için zorluklar oluşturmaktadır. Son zamanlarda, nano-ölçekli cihazların imalatı için bir alan salınımlı tarama prob litografisi (FE-SPL) geliştirilmiştir. Bu çalışmada, SiNW anahtarları üretmek için FE-SPL ve kriyojenik aşındırma kombinasyonunu kullandık. Düşük enerjili yayılan ikincil elektronlar, ortam sıcaklıklarında ve oda koşullarında yüksek çözünürlüklü desenlendirme için yakınlık etkilerini en aza indirgemek için, önceki yöntemlerin aksine, FE-SPL litografisinde kullanılır. Üretim süreci, 2 µm'den 4 µm'ye kadar geniş bir boyut yelpazesini, 40 nm'den 100 nm'ye kadar genişliği ve NW ve elektrotlar arasında ortalama 50 Nm'lik bir boşluğu modellemek için kullanılır. Üretim süreci, 14 nm kalınlığında cihaz tabakasına sahip bir silikon-üzeri-izolatör (SOI) substrat üzerinde geliştirilmiştir. FE-SPL'NİN yakın döngü litografi tekniği, çalışma alanının ön görüntülemesini, litografi sürecini ve rölenin kendi kendini harekete geçiren ve kendi kendini algılayan konsol uçlarını kullanarak post-görüntülemesini sağlar. SiNW'in operasyonel davranışı üzerindeki yüzey etkisini incelemek için sonlu elemanlar analizine (FEA) dayalı çok fizikli bir modelleme tekniği geliştirilmiştir. NW algılama modifiyeli Young-Laplace denklemine göre tahmin edilmektedir. Çekme-gerilimi sabit-sabit serbest sınır koşulları için hesaplanır. SiNW'nin çekme-gerilimi üzerinde yüksek en boy oranlarına sahip dikkate değer bir boyut ve sınır durumu etkisi elde edilir. Bu etkiler nicel ve niteliksel olarak analiz edilmiş ve bunları tanımlamak için bir model önerilmiştir. Bu çalışma, deneysel bulgular ve önerilen model arasında bir karşılaştırma yapacaktır. Deney sonuçları SiNW yüzey karakterizasyonu için kullanılacaktır. Bu yaklaşım, yüzey etkisinin SiNW mekanik davranışı üzerindeki çalışmasında tınlaşım ve gerginlik testi gibi alternatiflere kıyasla oldukça basit bir teknikte çekme-kullanımını kolaylaştırır.
Özet (Çeviri)
The benefits of downscaling electromechanical systems have been demonstrated in the form of NEMS with high performance and low power consumption. Silicon nanowires (Si NWs) are one of the leading devices with a remarkable potential in the field of sensing and actuation. While improvements in Q-factor and resonance frequency have been obtained through miniaturization enabling further capabilities, the change in their physical properties is a direct outcome of size reduction. In this aspect size dependence of the mechanical behavior is mainly attributed to the significant contribution of surface area. Various attempts have been carried out to study the scale effect on the mechanical behavior of Si NWs. However, existing Modelling methods still fail to reproduce experimental findings. Moreover, fabrication of Si NWs with extreme dimensions imposes a significant challenge to study the scale effect on the mechanical properties of Si NWs. Utilizing the recently introduced field-emission scanning probe lithography (FE-SPL) in combination with cryogenic etching this study aims to generate Si NW switches. Secondary electrons emitted with Low energy are used in FE-SPL lithography, in contrast to previous methods, to minimize the proximity effects for high-resolution patterning at ambient temperatures and room conditions. The fabrication process is utilized to pattern a wide range of dimensions with lengths from 2 µm to 4 µm, widths from 40 nm to 100 nm and an average gap of 50 nm between each NW and electrodes. The fabrication process is developed on a silicon-on-insulator (SOI) substrate with a 14-nm-thick device layer. These switches are then utilized for the purpose of surface characterization, as pull-in voltage -as a straightforward parameter to characterize - depends heavily on surface elasticity and surface stress. Both comprite the leading properties of surfaces, which are very challenging to quantify. For this purpose, a multiphysics modeling technique is developed based on finite element analysis. NW deflection is estimated based on the modified Young-Laplace equation. Pull-in voltage is calculated for fixed-fixed and fixed-free boundary conditions. Remarkable size and boundary condition effects are obtained for Si NWs with high aspect ratios. These effects have been analyzed and a model to describe them is suggested. In the current project, we are aiming to address controversies observed in the surface contribution to the mechanical properties of Silicon through pull-in voltage measurements in silicon nanowire switches. Nanowires with high aspect ratios are being fabricated and a numerical model has been developed to model the electromechanical behavior of a silicon nanowire switch. Moreover, a methodology and measurement procedure is designed to extract the surface elasticity and surface stress parameters by utilizing the experimental and numerical results.
Benzer Tezler
- Fabrication of junctionless silicon nanowire transistors via mix and match patterning based on field emission scanning probe lithography
Alan-salımlı tarama probu litografisine dayalı karıştır ve eşleştir modelleme ile bağlantısız silisyum nanotel transistörlerin üretimi
MERT ÖZDEN
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Makine MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BURHANETTİN ERDEM ALACA
- Mechanical characterization of silicon nanowires
Silisyum nanotellerin mekanik nitelendirilmesi
EVREN FATİH ARKAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2011
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. B. ERDEM ALACA
- Integration of silicon nanowires with 3D devices: Fabrication and modeling
Başlık çevirisi yok
MOHAMMAD NASR ESFAHANI
Doktora
İngilizce
2017
Makine MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BURHANETTİN ERDEM ALACA
- Design and electromechanical modeling of vertically stacked silicon nanowire arrays as coupled resonators
Üst üste yerleştirilmiş silisyum nanotel dizilerinin bağlaşımlı çınlaçlar olarak tasarımı ve elektromekanik modellemesi
İSMAİL YORULMAZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. B. ERDEM ALACA
- MEMS compatible highly doped piezoresistive silicon nanowires: fabrication and electromechanical characterization
Başlık çevirisi yok
GÖKHAN NADAR
Doktora
İngilizce
2022
Makine MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BURHANETTİN ERDEM ALACA