Siirry päänavigointiin Siirry hakuun Siirry pääsisältöön

Integration of 2D and 3D nanostructure fabrication with wafer-scale microelectronics: Photonic crystals and graphene

Julkaisun otsikon käännös: 2D ja 3D -nanorakenteiden integrointi kiekkotason mikroelektroniikkaan: Fotonikiteet ja grafeeni
  • Sanna Arpiainen

Tutkimustuotos: Doctoral Thesis › Collection of Articles

Abstrakti

Tämä väitöskirja käsittelee 2- ja 3-dimensionaalisten nanorakenteiden integrointia mikroelektroniikan prosesseihin. Sovelluksista keskitytään valokanaviin integroituihin 3D-fotonikiteisiin ja grafeenibioantureihin; molempien valmistuksessa turvaudutaan ohjattuun itsejärjestymiseen, vaikkakin eri mittakaavassa. Aiheita lähestytään valmistuksen ja integroinnin haasteiden näkökulmasta, mutta kirjassa käsitellään sovellusten tulevaisuuden potentiaalia ja näkymiä myös yleisemmällä tasolla. Uusien materiaalien ja rakenteiden tuominen mikroelektroniikan ja fotoniikan sovelluksiin vaatii tyypillisesti niiden integrointia olemassa oleviin sovellusalustoihin. Vakiintuneet valmistusprosessit on kuitenkin optimoitu perinteisesti käytettyjä materiaaleja silmällä pitäen, ja ne vaativat yleensä korkeita lämpötiloja, joissa uusien materiaalien aiheuttama kontaminaatioriski on suuri. Siksi integrointi valmistusprosessin loppuvaiheessa on usein ainoa vaihtoehto, ja haasteeksi muodostuu uusien rakenteiden kohdistaminen valmiisiin elementteihin. Tähän on käytännössä kolme vaihtoehtoa: (i) ohjattu itsejärjestyminen, (ii) korkean tarkkuuden sijoittelu ja (iii) menetelmät, jotka hyödyntävät perinteistä ohutkalvojen kasvatusta ja kuviointia nanorakenteiden valmistukseen. Siinä missä 2D-fotonikiteitä voidaan helposti valmistaa käyttäen kehittyneitä nanolitografiamenetelmiä kuten DUV litografiaa ja etsausta, litografinen lähestymistapa ei välttämättä ole tehokkain menetelmä 3D-fotonikiteiden valmistukseen. Tässä väitöskirjassa esitellään skaalautuva, ohjattu itsejärjestymismenetelmä keinotekoisten opaalien valmistukseen suoraan haluttuihin paikkoihin muiden fotoniikan komponenttien lomaan. Lisäksi määritellään prosessit, joiden avulla opaalit voidaan kääntää piifotonikiteiksi komponentteja vahingoittamatta. Toimivassa piifotonikiteessä on aallonpituusalue, jossa fotonien liike on kielletty, ja tämän alueen olemassaolo todennetaan mittaamalla fotonikiteen läpi kulkevan valon spektri integroituja valokanavia käyttäen. Grafeenin integrointi mikroelektroniikan prosesseihin on periaatteessa yksinkertaista, sillä materiaali on tasaista kalvoa, jota voidaan prosessoida kuten perinteisiä ohutkalvoja, kunhan se onnistutaan saamaan halutulle pinnalle. Tässä väitöskirjassa esitellään erilaisia menetelmiä, joiden tarkoituksena on ollut tuottaa korkealuokkaista grafeenia suuressa mittakaavassa erilaisille pinnoille. Lisäksi esitellään mm. grafiitin mekaaninen atomitasojen suuntainen viipalointi "askella ja leimaa" -painomenetelmällä sekä grafeenin nopea kaasufaasikasvatus metallin pinnalle ja siirto halutulle alustalle, joka on tällä hetkellä lupaavin menetelmä laaja-alaiseen grafeenin tuotantoon. Fysiikan ja kemian näkökulmasta grafeeni ei kuitenkaan ole tyypillinen ohutkalvo. Materiaalin atomäärisen ohuuden takia ympäristöllä on merkittävä vaikutus grafeenin sähköisiin ominaisuuksiin. Tämä on muistettava huomioida komponenttien valmistuksessa ja suunnittelussa, mutta se tekee grafeenista myös erityisen herkän sähköisen anturimateriaalin. Grafeeniin perustuvien antureiden suurin haaste on erilaisten kohdeaineiden tunnistaminen. Tässä väitöskirjassa käsitellään grafeenitransistorien integrointia itsejärjestyvien bioreseptorien kanssa, jolla tavoin saavutetaan herkkä ja valikoiva bioanturi.
Julkaisun otsikon käännös2D ja 3D -nanorakenteiden integrointi kiekkotason mikroelektroniikkaan: Fotonikiteet ja grafeeni
AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
  • Aalto-yliopisto
Ohjaaja
  • Liljeroth, Peter, Vastuuprofessori
  • Imhof, Arnout, Ohjaaja, Ulkoinen henkilö
  • Sun, Jie, Ohjaaja, Ulkoinen henkilö
Kustantaja
Painoksen ISBN978-951-38-8324-9
Sähköinen ISBN978-951-38-8325-6
TilaJulkaistu - 2015
OKM-julkaisutyyppiG5 Artikkeliväitöskirja

Sormenjälki

Sukella tutkimusaiheisiin '2D ja 3D -nanorakenteiden integrointi kiekkotason mikroelektroniikkaan: Fotonikiteet ja grafeeni'. Ne muodostavat yhdessä ainutlaatuisen sormenjäljen.

Siteeraa tätä