Dissertations / Theses on the topic 'Kohlenstoffnanoröhre (CNT)'

Kohlenstoffnanoröhren als eigenständige Modifikation des Kohlenstoffs sind zylindrische, aus mehreren Lagen Kohlenstoff aufgebaute Röhren, die über einen Hohlraum im Inneren verfügen. Bereits kurze Zeit nach ihrer Entdeckung, kam die Idee auf, Substanzen in diesen Hohlraum zu füllen. Durch den Einbau von Katalysatormaterial während der Synthese, ist bereits eine Vielzahl von Elementen als Füllmaterial zugänglich. Um jedoch nicht auf Elemente limitiert zu sein, die als Katalysator für die CNT-Synthese dienen, ist es möglich eine postsynthetische Füllung durchzuführen. Hier werden ungefüllte CNT geöffnet und anschließend, unter Ausnutzung der Kapillarkräfte, gefüllt. In der vorliegenden Arbeit wurden zunächst verschiedene Methoden zur Füllung untersucht. Neben lösemittelbasierten Methoden wurde mit Salzschmelzen, durch Gasphasentransport und durch Füllung mit einer kovalenten Präkursorverbindung gefüllt. Da metallische Partikel das Ziel waren, folgte im Anschluss an die Füllung mit Salzen, Salzlösungen, oder anderen Präkursoren jeweils eine Reduktion mit Wasserstoffgas bei erhöhten Temperaturen. Die Ergebnisse der Füllung wurden umfassend mittels Elektronenmikroskopie untersucht. Füllungsgrade wurden mittels Thermogravimetrie bestimmt. So konnten für zahlreiche Elemente eine geeignete Methode zur Füllung mit metallischen Partikeln entwickelt werden. Im Falle der Füllung mit Zinn konnte zudem gezeigt werden, dass ein Zusammenhang zwischen der Dauer der Füllreaktion und dem Anteil an drahtartigen Nanostrukturen in den CNT, sowie ein Zusammenhang zwischen der eingesetzten Lösungskonzentration und dem Füllungsgrad besteht. Im weiteren Verlauf der Arbeit wurde die Synthese von intermetallischen Partikeln in CNT untersucht. Hierbei dienten die Systeme Nickel-Zinn und Cobalt-Zinn, die als vielversprechende Materialien im Einsatz als Anodenmaterial in Lithium-Ionen-Akkumulatoren diskutiert werden, als Modellsysteme. Zunächst wurde gezeigt, dass es nicht möglich ist, aus einem Gemisch des Zinnsalzes und des jeweiligen anderen Salzes erfolgreich intermetallische Partikel herzustellen. Mittels Pulverröntgendiffraktometrie (XRD) und energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) konnte gezeigt werden, dass lediglich Zinnpartikel in den CNT vorhanden waren. Schließlich konnte mit dem Verfahren der sequentiellen Füllung eine erfolgreiche Synthese intermetallischer Nanostrukturen bewerkstelligt werden. Hierbei wird die CNT zuerst mit einer Lösung von Zinnchlorid gefüllt und schließlich reduziert. Anschließend erfolgt eine weitere Füllung mit einem Nickel- bzw. Cobaltsalz und einer nachfolgenden Reduktion. Während dieser zweiten Reduktion erfolgt die Bildung der intermetallischen Nanostrukturen in den CNT. Mittels XRD konnte gezeigt werden, dass tatsächlich intermetallische Strukturen in der Probe enthalten sind und dass man zudem durch das Verhältnis der beiden eingesetzten Elemente (Zinn zu Nickel bzw. Cobalt) Einfluss auf die vorherrschende intermetallische Verbindung nehmen kann. Durch EDX-Linienscans und Elementkarten, die am Transmissionselektronenmikroskop angefertigt wurden, konnte nachgewiesen werden, dass einzelne, in den CNT befindliche Partikel, tatsächlich aus den beiden Elementen Zinn und Nickel bzw. Cobalt bestehen und somit intermetallisch sind. Ein erster Test des erhaltenen Materials aus CNT und intermetallischen Nickel-ZinnVerbindungen als Anodenmaterial konnte bereits durchgeführt werden. Die gemessene Kapazität lag bereits im Bereich von Graphit, welches üblicherweise als Anodenmaterial verwendet wird, könnte jedoch durch Erhöhung des Anteils der intermetallischen Verbindung noch weiter gesteigert werden.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Dehnungsmessstreifen können Carbon nanotube (CNT)-basierte Komposite zusätzlich eine ausgeprägte Druck-abhängigkeit des Widerstandes aufweisen. Deshalb können Drucksensoren aus CNT-Nanokomposite ohne den Einsatz von Verformungskörpern wie z. B. Biegebalken aufgebaut werden. Die möglichen Anwendungsgebiete für diese direkt messenden Sensoren wurden in der vorliegenden Arbeit bei drei industriellen Anwendungen wie z. B. bei Robotergreifarmen gezeigt. Die Zielstellung dieser Arbeit ist die Entwicklung und Charakterisierung eines neuartigen Sensors aus CNT-Nanokomposite. Unter Verwendung von Multi-walled carbon nanotube (MWCNT)-Epoxidharz und interdigitalen Elektroden soll der Sensor auf wenigen Quadratzentimetern Drücke im Megapascal-Bereich und somit Kräfte im Kilonewton-Bereich messen können. Durch die Auswahl geeigneter Werkstoffe und die Modellierung mit der Finite Element Methode wurde der Sensorentwurf durchgeführt sowie der Messbereich abgeschätzt. Die Herstellung der MWCNT-Epoxidharz-Dispersion erfolgte durch mechanische Mischverfahren. Anschließend wurden aus der Dispersion druckempfindliche Schichten mit der Schablonendrucktechnik hergestellt. Dabei wurden die Herstellungs-parameter und besonders der Füllstoffgehalt der MWCNTs variiert, um deren Einflüsse auf das mechanische, thermische und elektrische Verhalten zu untersuchen. Die Charakterisierung der mechanischen Kenngrößen erfolgte mit Zugversuchen und dynamisch-mechanischer Analyse. In den Untersuchungen zeigen die MWCNT-Komposite eine signifikante Steigerung der Zugfestigkeit und eine Erhöhung der Glasübergangstemperatur gegenüber reinem Epoxidharz. Die Abhängigkeiten der Druckempfindlichkeit und der Temperaturempfindlichkeit vom Füllstoffgehalt wurden untersucht. Eine besonders hohe Druckempfindlichkeit, aber auch Temperaturempfind-lichkeit wurde bei Proben mit geringem Füllstoffgehalt (1 wt% und 1,25 wt%) festgestellt. Es ist also wichtig, die richtige Materialkombination für diese Art Sensor zu finden. Die realisierten Sensoren liefern zuverlässige Antwortsignale bei wiederholten Belastungen bis zu einer Belastung von 20 MPa (entspricht 2 kN). Zusätzlich wurde der Temperatureinfluss in einem Bereich von −20 °C bis 50 °C durch eine Wheatstonesche Brückenschaltung kompensiert. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass eine zuverlässige Druckmessung mit einer Temperaturmessabweichung von 0,214 MPa/10 K gewährleistet werden kann
In contrast to conventional metallic strain gauges, carbon nanotube (CNT) composites have an additional pressure sensitivity. Therefore, deformation elements such as bending beam is not needed by using pressure sensors, which are based on CNT nanocomposite. The possible areas of application for these pressure direct measured sensors were showed in three industrial application such as robot gripper. The focus of this work is the development and characterization of a new sensor manufactured from CNT nanocomposite. By using multi-walled carbon nanotube (MWCNT) epoxy and interdigital electrodes the sensor, which has a dimension of few square centimetre, should measure a pressure in mega Pascal range and hence a force in kilo newton range. By the selection of suitable materials and the modelling using finite element method, the sensor design as well as the measurement range were carried out. The MWCNT epoxy dispersion is manufactured by using a mechanical mixing process. Subsequent, the dispersion is used to fabricate pressure sensitive layers by stencil printing methods. Thereby, the fabrication parameters and especially the filler content of the MWCNTs were varied for the mechanical, thermal and electrical investigation. The characterization of the mechanical characteristic values were carried out by using tensile test and dynamic mechanical analysis. The results show a significant increasing of the tensile strength and glass transition temperature in comparison to neat epoxy. Additionally, the influence of the filler content to the pressure and thermal sensitivity were investigated. A highly pressure sensitivity but also a highly thermal sensitivity are obtained for samples with lower filler contents (1 wt% and 1.25 wt%). Therefore, a suitable material combination has to be chosen. The fabricated sensors show reliable response signals by repeated excitations up to 20 MPa (meets to 2 KN). Moreover, the temperature influence ranged from -20 °C to 50 °C was compensated with a Wheatstone bridge. This work demonstrate a direct pressure sensitive sensor with reliable response signals by a thermal deviation of 0.214 MPa/10K

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den Transporteigenschaften defektbehafteter Kohlenstoffnanoröhrchen (CNTs). Als Beispiel werden dabei einfache und doppelte Fehlstellen betrachtet. Der Fokus liegt auf der Berechnung des Transmissionsspektrums und der Leitfähigkeit mit einem schnellen, linear skalierenden rekursiven Greenfunktions-Formalismus, mit dem große Systeme quantenmechanisch behandelt werden können. Als Grundlage wird ein dichtefunktionalbasiertes Tight-Binding-Modell verwendet. Der Einfluss der Defektdichte und des CNT-Durchmessers wird im Rahmen einer statistischen Analyse untersucht. Es wird gezeigt, dass im Grenzfall kleiner Transmission die Leitfähigkeit exponentiell mit der Defektanzahl skaliert. Das System befindet sich im Regime starker Lokalisierung, wobei die Lokalisierungslänge von der Defektdichte und dem CNT-Durchmesser abhängt.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Dehnungsmessstreifen können Carbon nanotube (CNT)-basierte Komposite zusätzlich eine ausgeprägte Druck-abhängigkeit des Widerstandes aufweisen. Deshalb können Drucksensoren aus CNT-Nanokomposite ohne den Einsatz von Verformungskörpern wie z. B. Biegebalken aufgebaut werden. Die möglichen Anwendungsgebiete für diese direkt messenden Sensoren wurden in der vorliegenden Arbeit bei drei industriellen Anwendungen wie z. B. bei Robotergreifarmen gezeigt. Die Zielstellung dieser Arbeit ist die Entwicklung und Charakterisierung eines neuartigen Sensors aus CNT-Nanokomposite. Unter Verwendung von Multi-walled carbon nanotube (MWCNT)-Epoxidharz und interdigitalen Elektroden soll der Sensor auf wenigen Quadratzentimetern Drücke im Megapascal-Bereich und somit Kräfte im Kilonewton-Bereich messen können. Durch die Auswahl geeigneter Werkstoffe und die Modellierung mit der Finite Element Methode wurde der Sensorentwurf durchgeführt sowie der Messbereich abgeschätzt. Die Herstellung der MWCNT-Epoxidharz-Dispersion erfolgte durch mechanische Mischverfahren. Anschließend wurden aus der Dispersion druckempfindliche Schichten mit der Schablonendrucktechnik hergestellt. Dabei wurden die Herstellungs-parameter und besonders der Füllstoffgehalt der MWCNTs variiert, um deren Einflüsse auf das mechanische, thermische und elektrische Verhalten zu untersuchen. Die Charakterisierung der mechanischen Kenngrößen erfolgte mit Zugversuchen und dynamisch-mechanischer Analyse. In den Untersuchungen zeigen die MWCNT-Komposite eine signifikante Steigerung der Zugfestigkeit und eine Erhöhung der Glasübergangstemperatur gegenüber reinem Epoxidharz. Die Abhängigkeiten der Druckempfindlichkeit und der Temperaturempfindlichkeit vom Füllstoffgehalt wurden untersucht. Eine besonders hohe Druckempfindlichkeit, aber auch Temperaturempfind-lichkeit wurde bei Proben mit geringem Füllstoffgehalt (1 wt% und 1,25 wt%) festgestellt. Es ist also wichtig, die richtige Materialkombination für diese Art Sensor zu finden. Die realisierten Sensoren liefern zuverlässige Antwortsignale bei wiederholten Belastungen bis zu einer Belastung von 20 MPa (entspricht 2 kN). Zusätzlich wurde der Temperatureinfluss in einem Bereich von −20 °C bis 50 °C durch eine Wheatstonesche Brückenschaltung kompensiert. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass eine zuverlässige Druckmessung mit einer Temperaturmessabweichung von 0,214 MPa/10 K gewährleistet werden kann.
In contrast to conventional metallic strain gauges, carbon nanotube (CNT) composites have an additional pressure sensitivity. Therefore, deformation elements such as bending beam is not needed by using pressure sensors, which are based on CNT nanocomposite. The possible areas of application for these pressure direct measured sensors were showed in three industrial application such as robot gripper. The focus of this work is the development and characterization of a new sensor manufactured from CNT nanocomposite. By using multi-walled carbon nanotube (MWCNT) epoxy and interdigital electrodes the sensor, which has a dimension of few square centimetre, should measure a pressure in mega Pascal range and hence a force in kilo newton range. By the selection of suitable materials and the modelling using finite element method, the sensor design as well as the measurement range were carried out. The MWCNT epoxy dispersion is manufactured by using a mechanical mixing process. Subsequent, the dispersion is used to fabricate pressure sensitive layers by stencil printing methods. Thereby, the fabrication parameters and especially the filler content of the MWCNTs were varied for the mechanical, thermal and electrical investigation. The characterization of the mechanical characteristic values were carried out by using tensile test and dynamic mechanical analysis. The results show a significant increasing of the tensile strength and glass transition temperature in comparison to neat epoxy. Additionally, the influence of the filler content to the pressure and thermal sensitivity were investigated. A highly pressure sensitivity but also a highly thermal sensitivity are obtained for samples with lower filler contents (1 wt% and 1.25 wt%). Therefore, a suitable material combination has to be chosen. The fabricated sensors show reliable response signals by repeated excitations up to 20 MPa (meets to 2 KN). Moreover, the temperature influence ranged from -20 °C to 50 °C was compensated with a Wheatstone bridge. This work demonstrate a direct pressure sensitive sensor with reliable response signals by a thermal deviation of 0.214 MPa/10K.

The continuous migration to smaller feature sizes puts high demands on materials and technologies for future ultra-large-scale integrated circuits. Particularly, the copper-based interconnect system will reach fundamental limits soon. Their outstanding properties make metallic carbon nanotubes (CNTs) an ideal material to partially replace copper in future interconnect architectures. Here, a low contact resistance to existing metal lines is crucial. The present thesis contributes to the theory and numerical description of electronic transport in metallic CNTs with metal contacts. Different theoretical approaches are applied to various contact models and electrode materials (Al, Cu, Pd, Ag, Pt, Au) are compared. Ballistic transport calculations are based on the non-equilibrium Greens function formalism combined with tight-binding (TB), extended Hückel theory (EHT) and density functional theory (DFT). Simplified contact models allow a qualitative investigation of both the influence of geometry and CNT length, and the strength and extent of the contact on the transport properties. In addition, such simple contact models are used to compare the influence of different electronic structure methods on transport. It is found that the semiempirical TB and EHT are inadequate to quantitatively reproduce the DFT-based results. Based on this observation, an improved set of Hückel parameters is developed, which remedies this insufficiency. A systematic investigation of different contact materials is carried out using well defined atomistic metal-CNT-metal structures, optimized in a systematic way. Analytical models for the CNT-metal interaction are proposed. Based on that, electronic transport calculations are carried out, which can be extended to large systems by applying the computationally cheap improved EHT. The metal-CNT-metal systems can then be ranked by average conductance: Ag ≤ Au < Cu < Pt ≤ Pd < Al. This corresponds qualitatively with calculated contact distances, binding energies and work functions of CNTs and metals. To gain a deeper understanding of the transport properties, the electronic structure of the metal-CNT-metal systems and their respective parts is analyzed in detail. Here, the energy resolved local density of states is a valuable tool to investigate the CNT-metal interaction and its influences on the transport
Die kontinuierliche Verkleinerung der Strukturgrößen stellt hohe Anforderungen an Materialen und Technologien zukünftiger hochintegrierter Schaltkreise. Insbesondere die Leistungsfähigkeit kupferbasierte Leitbahnsystem wird bald an fundamentale Grenzen stoßen. Aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften könnten metallische Kohlenstoffnanoröhren (engl. Carbon Nanotubes, CNTs) Kupfer in zukünftigen Leitbahnsystemen teilweise ersetzen. Dabei ist ein geringer Kontaktwiderstand mit vorhandenen Leitbahnen von entscheidender Bedeutung. Die vorliegende Arbeit liefert grundlegende Beiträge zur Theorie und zur numerischen Beschreibung elektronischer Transporteigenschaften metallischer CNTs mit Metallkontakten. Dazu werden verschiedene theoretische Ansätze auf diverse Kontaktmodelle angewandt und eine Auswahl von Elektrodenmaterialen (Al, Cu, Pd, Ag, Pt, Au) verglichen. Die Beschreibung ballistischen Elektronentransports erfolgt mittels des Formalismus der Nichtgleichgewichts-Green-Funktionen in Kombination mit Tight-Binding (TB), erweiterter Hückel-Theorie (EHT) und Dichtefunktionaltheorie (DFT). Vereinfachte Kontaktmodelle dienen der qualitativen Untersuchung des Einflusses von Geometrie und Länge der Nanoröhren, sowie von Stärke und Ausdehnung des Kontaktes. Darüber hinaus erlauben solch einfache Modelle mit geringem numerischen Aufwand den Einfluss verschiedener Elektronenstrukturmethoden zu untersuchen. Es zeigt sich, dass die semiempirischen Methoden TB und EHT nicht in der Lage sind die Ergebnisse der DFT quantitativ zu reproduzieren. Ausgehend von diesen Ergebnissen wird ein verbesserter Satz von Hückel-Parametern generiert, der diesen Mangel behebt. Die Untersuchung verschiedener Kontaktmaterialien erfolgt an wohldefinierten atomistischen Metall-CNT-Metall-Strukturen, welche systematisch optimiert werden. Analytische Modelle zur Beschreibung der CNT-Metall-Wechselwirkung werden vorgeschlagen. Darauf aufbauende Berechnungen der elektronischen Transporteigenschaften, können mit Hilfe der verbesserten EHT auf große Systeme ausgedehnt werden. Die Ergebnisse ermöglichen eine Reihung der Metall-CNT-Metall-Systeme hinsichtlich ihrer Leitfähigkeit: Ag ≤ Au < Cu < Pt ≤ Pd < Al. Dies korrespondiert qualitativ mit berechneten Kontaktabständen, Bindungsenergien und Austrittarbeiten der CNTs und Metalle. Zum tieferen Verständnis der Transporteigenschaften erfolgt eine detaillierte Analyse der elektronischen Struktur der Metall-CNT-Metall-Systeme und ihrer Teilsysteme. Dabei erweist sich die energieaufgelöste lokale Zustandsdichte als nützliches Werkzeug zur Visulisierung und zur Charakterisierung der Wechselwirkung zwischen CNT und Metall sowie deren Einfluss auf den Transport

Carbon nanotubes are known as one of the strongest materials in nature and since their discovery; they have triggered the scientific interest for fabricating multi-functional polymer composites. However, a well-known problem associated to the incorporation of nanoparticulate materials in polymer matrices is their tendency to agglomerate in order to reduce their surface energy, and the extreme increase of the polymer viscosities (i.e melts, solutions, etc), which makes it very difficult to process them. Polymers can be efficiently reinforced by fibers for applications where high strength and stiffness are required. Micro-scale short fiber reinforced polymer composites have been an alternative way to obtain fiber reinforced composites since the long fiber incorporation is a painful job and not always feasible and easy to produce composites in big scale. Therefore, use of long glass fibers as the support for depositing CNTs as well as CNTs+other kind of nanoparticles was made, and the resulting interfaces were investigated in detail by single fiber model composites. This approach can bring the CNT functionality, fiber strength and toughness to the final composite, and simultaneously alleviate the manufacturing process from increase of the polymer high viscosities. Finally, very logically the question of whether to improve or destroy the interface integrity comes before implementing the hybrid hierarchical reinforcements in bigger scales, and an output out of this work will be given. Furthermore, several information and functionalities arising from the CNTs at the interphase region will be elucidated like cure monitoring of the epoxy resin matrix, UV-sensing ability, and thermoelectric energy harvesting, giving rise to multi-functional structural composites. CNT-modified natural fibers also have been utillised to fabricate short fiber reinforced composites, and have shown a promising reinforcement effect due to the CNT nanostructured interfaces. The ‘interface’ in fiber reinforced polymer composites (FRPCs) is known as a very crucial parameter that has to be considered in the design of a composite with desired properties. Interfaces are often considered as surfaces however, they are in fact zones or areas with compositional, structural, and property gradients, typically varying from that of the fiber and the matrix material. Characterization of the mechanical properties of interfaces is necessary for understanding the mechanical behavior of scaled-up composites. In fact, the mechanical characteristics of a fiber/resin composite depend mainly on i) the mechanical properties of the component materials, ii) the surface of the fiber, and iii) the nature of the fiber/resin bonding as well as the mode of stress transfer at the interface. Among the many factors that govern the characteristics of composites involving a glass, carbon, natural or ceramic fiber, and a macromolecular matrix, the adhesion between fiber and matrix plays a predominant role. In specific, the stress transfer at the interface requires an efficient coupling between fiber and matrix. Therefore, it is important to optimize the interfacial bonding since a direct linkage between fiber and matrix gives rise to a rigid, low impact resistance composite material.

Carbon nanotubes (CNTs) are a highly promising material for future interconnects. It is expected that the decoration of CNTs with Cu particles or also the filling of the interspaces between the CNTs with Cu instead of the currently used SiO2 can enhance the performance of CNT-based interconnects. Due to the high aspect ratio of CNTs an appropriate deposition technique has to be applied which is able to coat such structures uniformly. The current work is therefore considered with thermal atomic layer deposition (ALD) of CuxO from the liquid Cu (I) β-diketonate precursor [(nBu3P)2Cu(acac)] and wet oxygen at 135°C on variously pretreated multi-walled CNTs. The different in-situ pre-treatments of the CNTs with oxygen, water vapor and wet oxygen in a temperature range from 100 to 300°C at a pressure of 1.33 mbar have been carried out prior to the ALD to enable uniform nucleation on the otherwise chemical inert CNT surface. The reduction of the CuxO as well as the filling of the space between the CNTs is not part of this work. Variations of the oxidation temperature as well as the oxidation agents resulted in different growth modes of the CuxO. An oxidation with wet oxygen at 300°C yielded in a partially layer like growth of the CuxO. It is expected that this growth mode is connected to a partial destruction of the outer CNT shell due to the oxidation. However, the damage introduced to the CNTs was not high enough to be detected by Raman spectroscopy. For all other investigated pretreatments, the formation of nanoparticles (NPs) was observed by electron microscopy. This formation of CuxO NPs can be explained by the metal-tube-interaction. Furthermore, the NPs probably decorate defect sites of the CNTs due to their higher reactivity. Additionally, analysis of energy-dispersive X-ray spectroscopy and spectroscopic ellipsometry measurements suggests that the used precursor [(nBu3P)2Cu(acac)] requires reactive oxygen surface groups for initiating the ALD growth. The observation of layer-like growth of CuxO on CNTs pretreated with wet oxygen at 300°C appears promising for deposition processes of Cu seed layers on CNTs. However, more aggressive pretreatments at higher temperatures or with more aggressive oxidation agents could be required to enable layer like growth on the entire CNTs.

Kohlenstoffnanoröhrchen (engl. carbon nanotube, CNT) sind vielversprechende Kandidaten für den Ersatz von Kupferleitbahnen die bei weiterer Strukturverkleinerung von integrierten Schaltkreisen notwendig wird. In dieser Arbeit wird mit Hilfe von ab-initio Simulationen auf Basis der Dichtefunktionaltheorie die elektronische Struktur von halbleitenden CNTs beispielhaft anhand des (8,4)-CNTs untersucht. Nach Besetzung des CNT mit Metallatomen, hier Kobalt, zeigen sich massive Änderungen der Bandstruktur. Es reichen bereits überraschend kleine Mengen des Metalls aus, um einen starken Effekt zu erreichen. Die Änderungen der elektronischen Struktur sind stark abhängig von der genauen Position der Metallatome relativ zum Kohlenstoffgerüst der CNTs, der Einfluss der mechanischen Verformung des CNTs als Reaktion auf die Anlagerung ist hingegen sehr gering. Die relevanten Bänder der Kobaltatome liegen leicht unterhalt der Fermi-Energie und sorgen bei der Integration in die Bandstruktur des CNTs für die Schließung der Bandlücke und somit für die Transformation eines vorher halbleitenden CNTs in ein leitendes. Diese Transformation konnte auch mit Simulationsrechnungen zum Elektronentransport bestätigt werden. Ferner wurden bei weiteren Rechnungen eine ausgeprägte Spinabhängigkeit der Bandstruktur ermittelt, welche noch weiterer Untersuchung bedarf.

Since there is a continuous shrinking of feature sizes in ultra-large scale integrated (ULSI) circuits, requirements on materials and technology are going to rise dramatically in the near future. In particular, at the interconnect system this calls for new concepts and materials. Therefore, carbon nanotubes (CNTs) are considered as a promising material to replace partly or entirely metal interconnects in such devices. The present thesis aims to make a contribution to the CNT growth control with the thermal chemical vapor deposition (CVD) method and the integration of CNTs as vertical interconnects (vias) in ULSI circuits. Different support/catalyst systems are examined in processes for catalyst pretreatment and CNT growth. The investigations focus on the catalyst formation and the interactions at the interfaces. Those effects are related to the CNT growth. To get an insight into interactions at interfaces, film structure, composition, and CNT growth characteristics, samples are extensively characterized by techniques like AFM, SEM, TEM, XRD, XPS, and Raman spectroscopy. Screening studies on nanoparticle formation and CNT growth with the well known system SiO2/Ni are presented. This system is characterized by a weak support/catalyst interaction, which leads to undirected growth of multi-walled CNTs (MWCNTs). By contrast, at the Ta/Ni system a strong interaction causes a wetting of catalyst nanoparticles and vertically aligned MWCNT growth. At the system W/Ni a strong interaction at the interface is found as well, but there it induces Stranski-Krastanov catalyst film reformation upon pretreatment and complete CNT growth inhibition. Studies on the SiO2/Cr/Ni system reveal that Cr and Ni act as a bi-catalyst system, which leads to a novel nanostructure defined as interlayer CNT (ICNT) structure. The ICNT films are characterized by well crystallized vertically aligned MWCNTs, which grow out a Cr/Ni layer lifted off as a continuous and very smooth layer from the substrate with the growth. Besides, this nanostructure offers new possibilities for the integration of CNTs in different electronic applications. Based on the presented possibilities of manipulating CNT growth, an integration technology was derived to fabricate CNT vias. The technology uses a surface mediated site-selective CVD for the growth of MWCNTs in via structures. Developments are demonstrated with the fabrication of via test vehicles and the site-selective growth of MWCNTs in vias on 4 inch wafers. Furthermore, the known resistance problem of CNT vias, caused by too low CNT density, is addressed by a new approach. A CNT/metal heterostructure is considered, where the metal is implemented through atomic layer deposition (ALD). The first results of the coating of CNTs with readily reducible copper oxide nanoparticles are presented and discussed
Aufgrund der kontinuierlichen Verkleinerung von Strukturen in extrem hoch integrierten (engl. Ultra-Large Scale Integration − ULSI) Schaltkreisen werden die Anforderungen an die Materialien und die Technologie in naher Zukunft dramatisch ansteigen. Besonders im Leitbahnsystem sind neue Materialien und Konzepte gefragt. Kohlenstoffnanoröhren (engl. Carbon Nanotubes − CNT) stellen hierbei ein vielversprechendes Material dar, um teilweise oder sogar vollständig metallische Leitbahnen zu ersetzen. Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag zur CNT-Wachstumskontrolle mit der thermischen Gasphasenabscheidung (engl. Chemical Vapor Deposition − CVD) sowie der Integration von CNTs als vertikale Leitungsverbindungen (Via) in ULSI-Schaltkreisen. Verschiedene Untergrund/Katalysator-Systeme werden in Prozessen zur Katalysatorvorbehandlung sowie zum CNT-Wachstum betrachtet. Die Untersuchungen richten sich insbesondere auf die Katalysatorformierung und die Wechselwirkungen an den Grenzflächen. Diese werden mit dem CNT-Wachstum in Verbindung gebracht. Für Untersuchungen von Grenzflächeninteraktionen, Schichtstruktur, Zusammensetzung sowie CNT-Wachstumscharakteristik werden Analysen mit AFM, REM, TEM, XRD, XPS und Raman-Spektroskopie genutzt. Zunächst werden Voruntersuchungen an dem gut bekannten System SiO2/Ni zur Nanopartikelformierung und CNTWachstum vorgestellt. Dieses System ist gekennzeichnet durch eine schwache Wechselwirkung zwischen Untergrund und Katalysator sowie ungerichtetem Wachstum von mehrwandigen CNTs (MWCNTs). Im Gegensatz dazu hat bei dem System Ta/Ni eine starke Interaktion an der Grenzfläche eine Katalysatornanopartikelbenetzung und vertikales MWCNT-Wachstum zur Folge. Für das W/Ni-System gelten ebenfalls starke Interaktionen an der Grenzfläche. Bei diesem System wird allerdings eine Stranski-Krastanov-Schichtformierung des Katalysators und eine vollständige Unterbindung von CNT-Wachstum erreicht. Bei dem System SiO2/Cr/Ni agieren Cr und Ni als Bi- Katalysatorsystem. Dies führt zu einer neuartigen Nanostruktur, die als Zwischenschicht-CNT (engl. Interlayer Carbon Nanotubes − ICNTs) Struktur definiert wird. Die Schichten sind durch eine gute Qualität von gerichteten MWCNTs charakterisiert, die aus einer geschlossenen, sehr glatten und von den CNTs getragenen Cr/Ni-Schicht herauswachsen. Darüber hinaus bietet die Struktur neue Möglichkeiten für die Integration von CNTs in verschiedene elektronische Anwendungen. Auf der Grundlage der vorgestellten Manipulationsmöglichkeiten von CNT-Wachstum wurde eine Integrationstechnologie für CNTs in Vias abgeleitet. Der Ansatz ist eine oberflächeninduzierte selektive CVD von vertikal gerichteten MWCNTs in Via-Strukturen. Diese Technologie wird mit der Herstellung von einem Via-Testvehikel und dem selektiven CNT-Wachstum in Vias auf 4 Zoll Wafern demonstriert. Um das Widerstandsproblem von CNT-Vias, verursacht durch eine zu niedrige CNT-Dichte, zu reduzieren, wird eine Technologieerweiterung vorgeschlagen. Der Ansatz geht von einer CNT/Metall-Heterostruktur aus, bei der das Metall mit Hilfe der Atomlagenabscheidung (engl. Atomic Layer Deposition − ALD) implementiert wird. Es werden erste Ergebnisse zur CNT-Beschichtung mit reduzierbaren Kupferoxidnanopartikeln vorgestellt und diskutiert

Kohlenstoffnanoröhrchen (engl. carbon nanotube, CNT) sind vielversprechende Kandidaten für den Ersatz von Kupferleitbahnen die bei weiterer Strukturverkleinerung von integrierten Schaltkreisen notwendig wird. In dieser Arbeit wird mit Hilfe von ab-initio Simulationen auf Basis der Dichtefunktionaltheorie die elektronische Struktur von halbleitenden CNTs beispielhaft anhand des (8,4)-CNTs untersucht. Nach Besetzung des CNT mit Metallatomen, hier Kobalt, zeigen sich massive Änderungen der Bandstruktur. Es reichen bereits überraschend kleine Mengen des Metalls aus, um einen starken Effekt zu erreichen. Die Änderungen der elektronischen Struktur sind stark abhängig von der genauen Position der Metallatome relativ zum Kohlenstoffgerüst der CNTs, der Einfluss der mechanischen Verformung des CNTs als Reaktion auf die Anlagerung ist hingegen sehr gering. Die relevanten Bänder der Kobaltatome liegen leicht unterhalt der Fermi-Energie und sorgen bei der Integration in die Bandstruktur des CNTs für die Schließung der Bandlücke und somit für die Transformation eines vorher halbleitenden CNTs in ein leitendes. Diese Transformation konnte auch mit Simulationsrechnungen zum Elektronentransport bestätigt werden. Ferner wurden bei weiteren Rechnungen eine ausgeprägte Spinabhängigkeit der Bandstruktur ermittelt, welche noch weiterer Untersuchung bedarf.

The following is the accepted manuscript of the original article: Marcel Melzer, Thomas Waechtler, Steve Müller, Holger Fiedler, Sascha Hermann, Raul D. Rodriguez, Alexander Villabona, Andrea Sendzik, Robert Mothes, Stefan E. Schulz, Dietrich R.T. Zahn, Michael Hietschold, Heinrich Lang and Thomas Gessner “Copper oxide atomic layer deposition on thermally pretreated multi-walled carbon nanotubes for interconnect applications”, Microelectron. Eng. 107, 223-228 (2013). Digital Object Identifier: 10.1016/j.mee.2012.10.026 Available via http://www.sciencedirect.com or http://dx.doi.org/10.1016/j.mee.2012.10.026 © 2013 Elsevier B.V. Carbon nanotubes (CNTs) are a highly promising material for future interconnects. It is expected that a decoration of the CNTs with Cu particles or also the filling of the interspaces between the CNTs with Cu can enhance the performance of CNT-based interconnects. The current work is therefore considered with thermal atomic layer deposition (ALD) of CuxO from the liquid Cu(I) β-diketonate precursor [(nBu3P)2Cu(acac)] and wet oxygen at 135°C. This paper focuses on different thermal in-situ pre-treatments of the CNTs with O2, H2O and wet O2 at temperatures up to 300°C prior to the ALD process. Analyses by transmission electron microscopy show that in most cases the CuxO forms particles on the multi-walled CNTs (MWCNTs). This behavior can be explained by the low affinity of Cu to form carbides. Nevertheless, also the formation of areas with rather layer-like growth was observed in case of an oxidation with wet O2 at 300°C. This growth mode indicates the partial destruction of the MWCNT surface. However, the damages introduced into the MWCNTs during the pre treatment are too low to be detected by Raman spectroscopy.

(ULSI) causes an increase of the resistance of the wiring system by increased scattering of electrons at side walls and grain boundaries in the state of the art Cu technology, which increases the RC delay of the interconnect system and thus degrades the performance of the device. The outstanding properties of carbon nanotubes (CNT) such as a large mean free path, a high thermal conductance and a large resistance against electromigration make them an ideal candidate to replace Cu in future feature nodes. The present thesis contributes to the preparation and properties of CNT based vertical interconnections (vias). In addition, all processes applied during the fabrication are compatible to ULSI and an interface between CNT based vias and a Cu metallization is studied. The methodology for the evaluation of CNT based vias is improved; it is highlighted that by measuring the resistance of one multiwall CNT and taking into account the CNT density, the performance of the CNT based vias can be predicted accurately. This provides the means for a systematic evaluation of different integration procedures and materials. The lowest contact resistance is obtained for carbide forming metals, as long as oxidation during the integration is avoided. Even though metal-nitrides exhibit an enhanced contact resistance, they are recommended to be used at the bottom metallization in order to minimize the oxidation of the metal-CNT contact during subsequent processing steps. Overall a ranking for the materials from the lowest to the highest contact resistance is obtained: Ta < Ti < TaN < TiN « TiO2 « Ta2O5 Furthermore the impact of post CNT growth procedures as chemical mechanical planarization, HF treatment and annealing procedures after the CNT based via fabrication are evaluated. The conductance of the incorporated CNTs and the applicable electrical transport regime relative to the CNT quality and the CNT length is discussed. In addition, a strong correlation between the temperature coefficient of resistance and the initial resistance of the CNT based vias at room temperature has been observed
Die kontinuierliche Miniaturisierung der charakteristischen Abmessungen in hochintegrierten Schaltungen (ULSI) verursacht einen Anstieg des Widerstandes im Zuleitungssystem aufgrund der erhöhten Streuung von Elektronen an Seitenwänden und Korngrenzen in der Cu-Technologie, wodurch die Verzögerungszeit des Zuleitungssystems ansteigt. Die herausragenden Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhren (CNT), wie eine große mittlere freie Weglänge, hohe thermische Leitfähigkeit und eine starke Resistenz gegenüber Elektromigration machen diese zu einem idealen Kandidaten, um Cu in zukünftigen Technologiegenerationen zu ersetzen. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Herstellung und daraus resultierenden Eigenschaften von Zwischenebenenkontakten (Vias) basierend auf CNTs. Alle verwendeten Prozessierungsschritte sind kompatibel mit der Herstellung von hochintegrierten Schaltkreisen und eine Schnittstelle zwischen den CNT Vias und einer Cu-Metallisierung ist vorhanden. Insbesondere das Verfahren zur Evaluierung von CNT Vias wurde durch den Einsatz verschiedener Methoden verbessert. Insbesondere soll hervorgehoben werden, dass durch die Messung des Widerstandes eines einzelnen CNTs, bei bekannter CNT Dichte, der Via Widerstand sehr genau vorausgesagt werden kann. Dies ermöglicht eine systematische Untersuchung des Einflusses der verschiedenen Prozessschritte und der darin verwendeten Materialien auf den Via Widerstand. Der niedrigste Kontaktwiderstand wird für Karbidformierende Metalle erreicht, solange Oxidationsprozesse ausgeschlossen werden können. Obwohl Metallnitride einen höheren Kontaktwiderstand aufweisen, sind diese für die Unterseitenmetallisierung zu empfehlen, da dadurch die Oxidation der leitfähigen Schicht minimiert wird. Insgesamt kann eine Reihenfolge beginnend mit dem niedrigsten zum höchsten Kontaktwiderstand aufgestellt werden: Ta < Ti < TaN < TiN « TiO2 « Ta2O5 Desweiteren wurde der Einfluss von Verfahren nach dem CNTWachstum wie die chemischmechanische Planarisierung, eine HF Behandlung und einer Temperaturbehandlung evaluiert, sowie deren Einfluss auf die elektrischen Parameter des Vias untersucht. Die Leitfähigkeit der integrierten CNTs und die daraus resultierenden elektrischen Transporteigenschaften in Abhängigkeit der CNT Qualität und Länge werden besprochen. Ebenso wird die starke Korrelation zwischen dem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes und des Ausgangswiderstandes der CNT basierten Vias bei Raumtemperatur diskutiert

(ULSI) causes an increase of the resistance of the wiring system by increased scattering of electrons at side walls and grain boundaries in the state of the art Cu technology, which increases the RC delay of the interconnect system and thus degrades the performance of the device. The outstanding properties of carbon nanotubes (CNT) such as a large mean free path, a high thermal conductance and a large resistance against electromigration make them an ideal candidate to replace Cu in future feature nodes. The present thesis contributes to the preparation and properties of CNT based vertical interconnections (vias). In addition, all processes applied during the fabrication are compatible to ULSI and an interface between CNT based vias and a Cu metallization is studied. The methodology for the evaluation of CNT based vias is improved; it is highlighted that by measuring the resistance of one multiwall CNT and taking into account the CNT density, the performance of the CNT based vias can be predicted accurately. This provides the means for a systematic evaluation of different integration procedures and materials. The lowest contact resistance is obtained for carbide forming metals, as long as oxidation during the integration is avoided. Even though metal-nitrides exhibit an enhanced contact resistance, they are recommended to be used at the bottom metallization in order to minimize the oxidation of the metal-CNT contact during subsequent processing steps. Overall a ranking for the materials from the lowest to the highest contact resistance is obtained: Ta < Ti < TaN < TiN « TiO2 « Ta2O5 Furthermore the impact of post CNT growth procedures as chemical mechanical planarization, HF treatment and annealing procedures after the CNT based via fabrication are evaluated. The conductance of the incorporated CNTs and the applicable electrical transport regime relative to the CNT quality and the CNT length is discussed. In addition, a strong correlation between the temperature coefficient of resistance and the initial resistance of the CNT based vias at room temperature has been observed.
Die kontinuierliche Miniaturisierung der charakteristischen Abmessungen in hochintegrierten Schaltungen (ULSI) verursacht einen Anstieg des Widerstandes im Zuleitungssystem aufgrund der erhöhten Streuung von Elektronen an Seitenwänden und Korngrenzen in der Cu-Technologie, wodurch die Verzögerungszeit des Zuleitungssystems ansteigt. Die herausragenden Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhren (CNT), wie eine große mittlere freie Weglänge, hohe thermische Leitfähigkeit und eine starke Resistenz gegenüber Elektromigration machen diese zu einem idealen Kandidaten, um Cu in zukünftigen Technologiegenerationen zu ersetzen. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Herstellung und daraus resultierenden Eigenschaften von Zwischenebenenkontakten (Vias) basierend auf CNTs. Alle verwendeten Prozessierungsschritte sind kompatibel mit der Herstellung von hochintegrierten Schaltkreisen und eine Schnittstelle zwischen den CNT Vias und einer Cu-Metallisierung ist vorhanden. Insbesondere das Verfahren zur Evaluierung von CNT Vias wurde durch den Einsatz verschiedener Methoden verbessert. Insbesondere soll hervorgehoben werden, dass durch die Messung des Widerstandes eines einzelnen CNTs, bei bekannter CNT Dichte, der Via Widerstand sehr genau vorausgesagt werden kann. Dies ermöglicht eine systematische Untersuchung des Einflusses der verschiedenen Prozessschritte und der darin verwendeten Materialien auf den Via Widerstand. Der niedrigste Kontaktwiderstand wird für Karbidformierende Metalle erreicht, solange Oxidationsprozesse ausgeschlossen werden können. Obwohl Metallnitride einen höheren Kontaktwiderstand aufweisen, sind diese für die Unterseitenmetallisierung zu empfehlen, da dadurch die Oxidation der leitfähigen Schicht minimiert wird. Insgesamt kann eine Reihenfolge beginnend mit dem niedrigsten zum höchsten Kontaktwiderstand aufgestellt werden: Ta < Ti < TaN < TiN « TiO2 « Ta2O5 Desweiteren wurde der Einfluss von Verfahren nach dem CNTWachstum wie die chemischmechanische Planarisierung, eine HF Behandlung und einer Temperaturbehandlung evaluiert, sowie deren Einfluss auf die elektrischen Parameter des Vias untersucht. Die Leitfähigkeit der integrierten CNTs und die daraus resultierenden elektrischen Transporteigenschaften in Abhängigkeit der CNT Qualität und Länge werden besprochen. Ebenso wird die starke Korrelation zwischen dem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes und des Ausgangswiderstandes der CNT basierten Vias bei Raumtemperatur diskutiert.

Zur Aufklärung der lokalen Magnetisierungs- und magnetischen Streufeldstruktur in ferromagnetischen und supraleitenden Materialien wurden magnetkraftmikroskopische (Magnetkraftmikroskopie-MFM) Untersuchungen durchgeführt und quantitativ ausgewertet. Für eine solch quantitative Auswertung muss der Einfluß der verwendeten MFM-Spitzen auf das MFM-Bild bestimmt und in geeigneter Weise subtrahiert werden. Hierzu wurden Spitzenkalibrierungsroutinen und ein Verfahren zur Entfaltung der gemessenen MFM-Daten implementiert, das auf der Wiener Dekonvolution basiert. Mit Hilfe dieser Prozedur können sowohl die räumliche Ausdehnung als auch die Größe der Streufelder direkt aus gemessenen MFM-Bildern bestimmt werden. Gezeigt wurde diese Anwendung für die Durchmesserbestimmung von Blasendomänen in einer (Co/Pd)-Multilage und für die Bestimmung der temperaturabhängigen magnetischen Eindringtiefe in einem supraleitendem BaFe2(As0.24P0.76)2 Einkristall. Desweiteren konnte durch die Kombination von mikromagnetischen Rechnungen und der quantitativen MFM-Datenanalyse die Existenz einer dreidimensionalen Vortex-Struktur am Ende von Co48Fe52-Nanodrähten nachgewiesen werden. Damit ist es gelungen die Tiefensensitivität der Magnetkraftmikroskopie erfolgreich in die Rekonstruktion der vermessenen Magnetisierungsstruktur einzubeziehen.

Kohlenstoffnanoröhren (engl. carbon nanotubes) bieten hervorragende elektrische Eigenschaften für neuartige Feldeffekttransistoren (engl. field-effect transistors) auf engstem Raum. Eine Möglichkeit zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften bietet eine geeignete Passivierung mit Hexamethyldisiloxan. In dieser Arbeit werden eine Flüssig- und eine Gasphasenbehandlung von Siliziumoxid-Oberflächen mit Hexamethyldisiloxan untersucht. Die Oberflächen werden dabei in wenigen Minuten hydrophobiert. Nach längeren Behandlungszeiten werden Wasserkontaktwinkel von 95° erreicht, die auch noch nach mehreren Tagen und einer Woche nachweisbar sind. In der Anwendung auf Kohlenstoffnanoröhren-Feldeffekttransistoren (engl. carbon nanotube field-effect transistors) wird die Hysterese um durchschnittlich 30 % gesenkt. Das Ziel der Behandlung wurde damit erreicht und lässt sich auf die erfolgreiche Beseitigung von Ladungsfallen durch Adsorbate zurückführen. Zusätzlich sinkt der An-Strom um 60 %. Für gute An-Aus-Verhältnisse über mehrere Größenordnungen bedeutet das jedoch keine drastische Verschlechterung der Schalteigenschaften. Die in dieser Arbeit vorgeschlagene Hexamethyldisiloxan-Gasphasenbehandlung kann daher erfolgreich zur Verringerung der Hysterese in Kohlenstoffnanoröhren-Feldeffekttransistoren eingesetzt werden.:1 Einleitung 6 2 Material und Methoden 8 2.1 Siliziumoxid-Oberflächen 8 2.2 Hexamethyldisiloxan als Passivierungsmittel 8 2.3 Flüssigphasenbehandlung 9 2.4 Gasphasenbehandlung 10 2.5 Kontaktwinkelmessung 11 3 Feldeffekttransistoren auf der Basis von Kohlenstoffnanoröhren 13 3.1 Kohlenstoffnanoröhren 13 3.1.1 Struktur und Nomenklatur 13 3.1.2 Elektrische Eigenschaften 14 3.2 Kohlenstoffnanoröhren-Feldeffekttransistoren 16 3.2.1 Aufbau, Herstellung und Funktionsprinzip 16 3.2.2 Kenngrößen zur FET-Charakterisierung 17 3.2.3 IU-Messung 19 4 Ergebnisse und Auswertung 20 4.1 Ergebnisse der Kontaktwinkelmessungen 20 4.1.1 Referenzmessungen auf Siliziumoxidoberflächen 20 4.1.2 Flüssigphasenbehandlung 21 4.1.3 Gasphasenbehandlung 21 4.1.4 Fehlerbetrachtung 25 4.1.5 Vergleich von Flüssig- und Gasphasenbehandlung 26 4.2 HMDSO-Behandlung von CNTFETs 27 4.2.1 Ergebnisse der IU-Messungen 28 4.2.2 Fehlerbetrachtung 31 5 Zusammenfassung der Ergebnisse und Ausblick 32

Kohlenstoffnanoröhren als eigenständige Modifikation des Kohlenstoffs sind zylindrische, aus mehreren Lagen Kohlenstoff aufgebaute Röhren, die über einen Hohlraum im Inneren verfügen. Bereits kurze Zeit nach ihrer Entdeckung, kam die Idee auf, Substanzen in diesen Hohlraum zu füllen. Durch den Einbau von Katalysatormaterial während der Synthese, ist bereits eine Vielzahl von Elementen als Füllmaterial zugänglich. Um jedoch nicht auf Elemente limitiert zu sein, die als Katalysator für die CNT-Synthese dienen, ist es möglich eine postsynthetische Füllung durchzuführen. Hier werden ungefüllte CNT geöffnet und anschließend, unter Ausnutzung der Kapillarkräfte, gefüllt. In der vorliegenden Arbeit wurden zunächst verschiedene Methoden zur Füllung untersucht. Neben lösemittelbasierten Methoden wurde mit Salzschmelzen, durch Gasphasentransport und durch Füllung mit einer kovalenten Präkursorverbindung gefüllt. Da metallische Partikel das Ziel waren, folgte im Anschluss an die Füllung mit Salzen, Salzlösungen, oder anderen Präkursoren jeweils eine Reduktion mit Wasserstoffgas bei erhöhten Temperaturen. Die Ergebnisse der Füllung wurden umfassend mittels Elektronenmikroskopie untersucht. Füllungsgrade wurden mittels Thermogravimetrie bestimmt. So konnten für zahlreiche Elemente eine geeignete Methode zur Füllung mit metallischen Partikeln entwickelt werden. Im Falle der Füllung mit Zinn konnte zudem gezeigt werden, dass ein Zusammenhang zwischen der Dauer der Füllreaktion und dem Anteil an drahtartigen Nanostrukturen in den CNT, sowie ein Zusammenhang zwischen der eingesetzten Lösungskonzentration und dem Füllungsgrad besteht. Im weiteren Verlauf der Arbeit wurde die Synthese von intermetallischen Partikeln in CNT untersucht. Hierbei dienten die Systeme Nickel-Zinn und Cobalt-Zinn, die als vielversprechende Materialien im Einsatz als Anodenmaterial in Lithium-Ionen-Akkumulatoren diskutiert werden, als Modellsysteme. Zunächst wurde gezeigt, dass es nicht möglich ist, aus einem Gemisch des Zinnsalzes und des jeweiligen anderen Salzes erfolgreich intermetallische Partikel herzustellen. Mittels Pulverröntgendiffraktometrie (XRD) und energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) konnte gezeigt werden, dass lediglich Zinnpartikel in den CNT vorhanden waren. Schließlich konnte mit dem Verfahren der sequentiellen Füllung eine erfolgreiche Synthese intermetallischer Nanostrukturen bewerkstelligt werden. Hierbei wird die CNT zuerst mit einer Lösung von Zinnchlorid gefüllt und schließlich reduziert. Anschließend erfolgt eine weitere Füllung mit einem Nickel- bzw. Cobaltsalz und einer nachfolgenden Reduktion. Während dieser zweiten Reduktion erfolgt die Bildung der intermetallischen Nanostrukturen in den CNT. Mittels XRD konnte gezeigt werden, dass tatsächlich intermetallische Strukturen in der Probe enthalten sind und dass man zudem durch das Verhältnis der beiden eingesetzten Elemente (Zinn zu Nickel bzw. Cobalt) Einfluss auf die vorherrschende intermetallische Verbindung nehmen kann. Durch EDX-Linienscans und Elementkarten, die am Transmissionselektronenmikroskop angefertigt wurden, konnte nachgewiesen werden, dass einzelne, in den CNT befindliche Partikel, tatsächlich aus den beiden Elementen Zinn und Nickel bzw. Cobalt bestehen und somit intermetallisch sind. Ein erster Test des erhaltenen Materials aus CNT und intermetallischen Nickel-ZinnVerbindungen als Anodenmaterial konnte bereits durchgeführt werden. Die gemessene Kapazität lag bereits im Bereich von Graphit, welches üblicherweise als Anodenmaterial verwendet wird, könnte jedoch durch Erhöhung des Anteils der intermetallischen Verbindung noch weiter gesteigert werden.

Carbon nanotubes are known as one of the strongest materials in nature and since their discovery; they have triggered the scientific interest for fabricating multi-functional polymer composites. However, a well-known problem associated to the incorporation of nanoparticulate materials in polymer matrices is their tendency to agglomerate in order to reduce their surface energy, and the extreme increase of the polymer viscosities (i.e melts, solutions, etc), which makes it very difficult to process them. Polymers can be efficiently reinforced by fibers for applications where high strength and stiffness are required. Micro-scale short fiber reinforced polymer composites have been an alternative way to obtain fiber reinforced composites since the long fiber incorporation is a painful job and not always feasible and easy to produce composites in big scale. Therefore, use of long glass fibers as the support for depositing CNTs as well as CNTs+other kind of nanoparticles was made, and the resulting interfaces were investigated in detail by single fiber model composites. This approach can bring the CNT functionality, fiber strength and toughness to the final composite, and simultaneously alleviate the manufacturing process from increase of the polymer high viscosities. Finally, very logically the question of whether to improve or destroy the interface integrity comes before implementing the hybrid hierarchical reinforcements in bigger scales, and an output out of this work will be given. Furthermore, several information and functionalities arising from the CNTs at the interphase region will be elucidated like cure monitoring of the epoxy resin matrix, UV-sensing ability, and thermoelectric energy harvesting, giving rise to multi-functional structural composites. CNT-modified natural fibers also have been utillised to fabricate short fiber reinforced composites, and have shown a promising reinforcement effect due to the CNT nanostructured interfaces. The ‘interface’ in fiber reinforced polymer composites (FRPCs) is known as a very crucial parameter that has to be considered in the design of a composite with desired properties. Interfaces are often considered as surfaces however, they are in fact zones or areas with compositional, structural, and property gradients, typically varying from that of the fiber and the matrix material. Characterization of the mechanical properties of interfaces is necessary for understanding the mechanical behavior of scaled-up composites. In fact, the mechanical characteristics of a fiber/resin composite depend mainly on i) the mechanical properties of the component materials, ii) the surface of the fiber, and iii) the nature of the fiber/resin bonding as well as the mode of stress transfer at the interface. Among the many factors that govern the characteristics of composites involving a glass, carbon, natural or ceramic fiber, and a macromolecular matrix, the adhesion between fiber and matrix plays a predominant role. In specific, the stress transfer at the interface requires an efficient coupling between fiber and matrix. Therefore, it is important to optimize the interfacial bonding since a direct linkage between fiber and matrix gives rise to a rigid, low impact resistance composite material.

The continuous migration to smaller feature sizes puts high demands on materials and technologies for future ultra-large-scale integrated circuits. Particularly, the copper-based interconnect system will reach fundamental limits soon. Their outstanding properties make metallic carbon nanotubes (CNTs) an ideal material to partially replace copper in future interconnect architectures. Here, a low contact resistance to existing metal lines is crucial. The present thesis contributes to the theory and numerical description of electronic transport in metallic CNTs with metal contacts. Different theoretical approaches are applied to various contact models and electrode materials (Al, Cu, Pd, Ag, Pt, Au) are compared. Ballistic transport calculations are based on the non-equilibrium Greens function formalism combined with tight-binding (TB), extended Hückel theory (EHT) and density functional theory (DFT). Simplified contact models allow a qualitative investigation of both the influence of geometry and CNT length, and the strength and extent of the contact on the transport properties. In addition, such simple contact models are used to compare the influence of different electronic structure methods on transport. It is found that the semiempirical TB and EHT are inadequate to quantitatively reproduce the DFT-based results. Based on this observation, an improved set of Hückel parameters is developed, which remedies this insufficiency. A systematic investigation of different contact materials is carried out using well defined atomistic metal-CNT-metal structures, optimized in a systematic way. Analytical models for the CNT-metal interaction are proposed. Based on that, electronic transport calculations are carried out, which can be extended to large systems by applying the computationally cheap improved EHT. The metal-CNT-metal systems can then be ranked by average conductance: Ag ≤ Au < Cu < Pt ≤ Pd < Al. This corresponds qualitatively with calculated contact distances, binding energies and work functions of CNTs and metals. To gain a deeper understanding of the transport properties, the electronic structure of the metal-CNT-metal systems and their respective parts is analyzed in detail. Here, the energy resolved local density of states is a valuable tool to investigate the CNT-metal interaction and its influences on the transport.
Die kontinuierliche Verkleinerung der Strukturgrößen stellt hohe Anforderungen an Materialen und Technologien zukünftiger hochintegrierter Schaltkreise. Insbesondere die Leistungsfähigkeit kupferbasierte Leitbahnsystem wird bald an fundamentale Grenzen stoßen. Aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften könnten metallische Kohlenstoffnanoröhren (engl. Carbon Nanotubes, CNTs) Kupfer in zukünftigen Leitbahnsystemen teilweise ersetzen. Dabei ist ein geringer Kontaktwiderstand mit vorhandenen Leitbahnen von entscheidender Bedeutung. Die vorliegende Arbeit liefert grundlegende Beiträge zur Theorie und zur numerischen Beschreibung elektronischer Transporteigenschaften metallischer CNTs mit Metallkontakten. Dazu werden verschiedene theoretische Ansätze auf diverse Kontaktmodelle angewandt und eine Auswahl von Elektrodenmaterialen (Al, Cu, Pd, Ag, Pt, Au) verglichen. Die Beschreibung ballistischen Elektronentransports erfolgt mittels des Formalismus der Nichtgleichgewichts-Green-Funktionen in Kombination mit Tight-Binding (TB), erweiterter Hückel-Theorie (EHT) und Dichtefunktionaltheorie (DFT). Vereinfachte Kontaktmodelle dienen der qualitativen Untersuchung des Einflusses von Geometrie und Länge der Nanoröhren, sowie von Stärke und Ausdehnung des Kontaktes. Darüber hinaus erlauben solch einfache Modelle mit geringem numerischen Aufwand den Einfluss verschiedener Elektronenstrukturmethoden zu untersuchen. Es zeigt sich, dass die semiempirischen Methoden TB und EHT nicht in der Lage sind die Ergebnisse der DFT quantitativ zu reproduzieren. Ausgehend von diesen Ergebnissen wird ein verbesserter Satz von Hückel-Parametern generiert, der diesen Mangel behebt. Die Untersuchung verschiedener Kontaktmaterialien erfolgt an wohldefinierten atomistischen Metall-CNT-Metall-Strukturen, welche systematisch optimiert werden. Analytische Modelle zur Beschreibung der CNT-Metall-Wechselwirkung werden vorgeschlagen. Darauf aufbauende Berechnungen der elektronischen Transporteigenschaften, können mit Hilfe der verbesserten EHT auf große Systeme ausgedehnt werden. Die Ergebnisse ermöglichen eine Reihung der Metall-CNT-Metall-Systeme hinsichtlich ihrer Leitfähigkeit: Ag ≤ Au < Cu < Pt ≤ Pd < Al. Dies korrespondiert qualitativ mit berechneten Kontaktabständen, Bindungsenergien und Austrittarbeiten der CNTs und Metalle. Zum tieferen Verständnis der Transporteigenschaften erfolgt eine detaillierte Analyse der elektronischen Struktur der Metall-CNT-Metall-Systeme und ihrer Teilsysteme. Dabei erweist sich die energieaufgelöste lokale Zustandsdichte als nützliches Werkzeug zur Visulisierung und zur Charakterisierung der Wechselwirkung zwischen CNT und Metall sowie deren Einfluss auf den Transport.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit den niedrigdimensionalen Kohlenstoffmaterialien Fullerene, Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) und der Diamantoberfläche. Es werden jeweils zwei der genannten Materialien kombiniert und im Hinblick auf die dadurch entstehenden magnetischen und elektronischen Eigenschaften untersucht. Durch die Füllung von Fullerenen in CNTs mit entsprechenden Durchmessern ergibt sich eine eindimensionale Anordnung der Fullerene. Diese Strukturen werden als peapods bezeichnet. Bei der Verwendung von endohedralen, magnetischen Fullerenen ergibt sich durch die Einschränkung der Dimension die Möglichkeit einer wohl-definierten Kopplung und dadurch eine mögliche Änderung der magnetischen Eigenschaften. Die hier betrachteten Moleküle sind die paramagnetischen Fullerene N@C60 und Er3N@C80 sowie das ferromagnetische Dy2ScN@C80-Fulleren, welches auch als ein Einzelmolekülmagnet (SMM) bezeichnet wird. Für die Herstellung von peapods wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Füllanlage aufgebaut, welche die speziellen Anforderungen der Fullerene berücksichtigt und mit der auch CNTs auf Substraten gefüllt werden können. Der Erfolg der Füllung wird mit hochauflösender Transmisssions-Elektronenmikroskopie (HRTEM), energiedispersiver Röntgen-Spektroskopie (EDX) und optischer Emissions- Spektrometrie (OES) überprüft. Durch weitergehende Untersuchungen im HRTEM konnte eine Reaktion von metallischen Atomen aus den Fullerenen innerhalb der CNTs zu neuen, metallischen Clustern beobachtet werden. Für die Untersuchungen möglicher Änderungen der magnetischen Eigenschaften sind magnetische Messungen notwendig. Diese können mit der Methode des magnetischen zirkularen Röntgendichroismus (XMCD) durchgeführt werden. Für das Ziel von nanoskopischen XMCD-Messungen einzelner peapods wurden Rastertransmissions- Röntgenmikroskopie-Messungen (STXM) am Synchrotron durchgeführt. Diese wurden mit HRTEM-Messungen derselben Probenpositionen korreliert, um die spektroskopische mit der räumlichen Auflösung zu verknüpfen. Dabei konnte ein Röntgenabsorptions- Spektrum von einem dünnen peapod-Bündel gemessen werden. Zusätzlich wurde mit makroskopischen XMCD-Messungen von Er3N@C80-Fullerenen, gefüllt in CNTs, gezeigt, dass diese Methode auch für peapods anwendbar ist. Erste XMCDMessungen von ferromagnetischen Dy2ScN@C80-Fullerenen zeigen eine deutliche Änderung der magnetischen Eigenschaften durch die eindimensionale Anordnung in CNTs. Im Zusammenhang mit der eindimensionalen Anordnung von paramagnetischen Fullerenen wurde außerdem ein Konzept eines Quantenregisters betrachtet, welches auf N@C60- peapods basiert. Diese sollen dabei auf eine Diamantoberfläche deponiert werden, um oberflächennahe Stickstoff-Fehlstellen-Zentren zum Auslesen der Spinzustände der N@C60- Fullerene verwenden zu können. Die in diesem Fall auftretende elektronische Wechselwirkung zwischen unterschiedlich terminierten Diamantoberflächen und CNTs sowie Fullerenen wurde mit Kelvinsonden-Mikroskopie- Messungen (KPFM) untersucht. Dabei wurde erstmalig ein Elektronentransfer von der wasserstoffterminierten Diamantoberfläche in CNTs experimentell nachgewiesen, während dieser bei Sauerstoffterminierung nicht beobachtet wurde. Die präsentierten Messungen geben Auskunft über den auftretenden Ladungstransfer, indem Ladungen in C60- Fullerenen und CNTs lokal aufgelöst abgebildet werden. Zusammenfassend können die in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse helfen, zukünftige Bauelemente von klassischen Computern oder Quantencomputern, basierend auf niedrigdimensionalen Kohlenstoffmaterialien, zu entwickeln.

Excellent electronic properties of semiconducting single-walled carbon nanotubes (sc-SWCNTs) motivated the investigation for using them in different application areas such as microelectronics, sensorics, MEMS and MOEMS. However, challenges arise from the lack of selectivity with respect to electronic type and chirality as well as ensuring high quality, high purity and well-aligned SWCNTs during fabrication process. Catalytic chemical vapour deposition (CCVD) has shown great potential in direct synthesis of high quality SWCNTs with chiral or type selectivity. This thesis addresses three important aspects for growth of sc-SWCNT covering method development for fast screening for complex catalyst systems, process development for type-selective growth of SWCNTs and transfer of processes to a specific CVD reactor capable to scale the processes up to 8-inches wafer embedded in the microtechnologic process line. Multi-wavelengths Raman spectroscopy is applied to analyze type and chiral compositions of SWCNTs. In addition, different microscopic techniques of SEM, TEM and AFM are utilized to analyze surface morphology of catalyst layers and size of the nanoparticles as well as structure-related properties of SWCNTs. Initially, systematic studies on monometallic Co and bimetallic Co-Mo systems with different bilayer thickness configurations and their influences on the properties of grown SWCNTs are conducted on chip level. It is shown by adjusting the catalyst deposition conditions of bilayer catalyst as well as optimization of gas environments in CCVD process, structure-related properties of SWCNTs are dramatically enhanced. Furthermore, by utilizing shutter-assisted sputter deposition of gradient layer catalyst, a fast and efficient method for screening different bilayer configurations of Co-Mo, Co-Ru and Ni-Ru has been developed. By utilizing gradient layer deposition with finely resolved catalyst thicknesses, random network SWCNT is grown on bimetallic Co-Mo system under certain process condition with 45% (at 633 nm) and 75% (at 785 nm) semiconducting enrichment of long and high quality SWCNT. In contrast, bimetallic Co-Ru system under certain process condition is developed to grow in-plane SWCNT with 85% (at 633 nm) and 75% (at 785 nm) semiconducting enrichment of short and low quality SWCNT. In addition, different configurations of the bimetallic Co-Ru system are prepared from salt precursors by spin-coating technique. For a mixture of cobalt (II) chloride and ruthenium (III) nitrosylacetate, random network SWCNT with 70% (at 633 nm) and 95% (at 785 nm) semiconducting enrichment of long SWCNTs with high quality is obtained on wafer level. Random network SWCNT with high degree of semiconducting enrichment is used as channel material for thin-film transistors fabrication that results in CNTFET with on/off ratio in the order of 10*3:Bibliographic description 3 Vorwort 9 List of abbreviations and symbols 11 1 Introduction 15 2 Fundamentals of carbon nanotubes 21 2.1 Chemical bonds in carbon structures 21 2.2 Different allotropes of carbon 22 2.3 History of carbon nanotubes research 23 2.4 Structure of carbon nanotubes 24 2.5 Electronic properties of carbon nanotubes 26 2.6 Synthesis of carbon nanotubes 27 2.7 Growth mechanism of carbon nanotubes by CCVD 29 2.8 Catalyst for CCVD synthesis of SWCNTs 31 2.8.1 Catalyst nanoparticle formation from thin film 32 2.8.2 Mechanism of solid state dewetting 33 2.9 CCVD synthesis of SWCNT 35 2.10 Selective synthesis of SWCNT 37 3 Experimental 39 3.1 Preparation of different catalyst/support systems 39 3.1.1 Homogenous layer of catalyst prepared by PVD 39 3.1.2 Gradient layer deposition of catalyst by IBSD 41 3.1.3 Homogenous layer of catalyst prepared by spin coating 45 3.2 CVD reactors for synthesis of SWCNT 46 3.2.1 R&D vertical flow CVD reactor with showerhead 46 3.2.2 Industrial vertical flow CVD reactor with showerhead 47 3.2.3 Horizontal flow tube CVD reactor 49 3.3 Methods for characterization 50 3.3.1 Atomic force microscopy 50 3.3.2 Raman spectroscopy 50 3.3.3 Spectroscopic ellipsometry 56 3.3.4 X-ray reflection 56 3.3.5 Scanning electron microscopy 56 3.3.6 Transmission electron microscopy 56 4 Growth of SWCNT using PVD catalyst layer in vertical CVD reactor A 57 4.1 Monometallic Co catalyst supported on SiO2 57 4.1.1 Surface and morphological analysis of SiO2/Co 57 4.1.2 Analysis of CCVD grown SWCNT on SiO2/Co 59 4.1.3 Chirality and diameter analysis of SWCNTs on SiO2/Co 61 4.2 Monometallic Co catalyst supported on Al2O3 62 4.2.1 Surface and morphological analysis of Al2O3/Co 62 4.2.2 Analysis of CCVD grown SWCNT on Al2O3/Co 63 4.2.3 Chirality and diameter analysis of SWCNTs on Al2O3/Co 67 4.3 Bimetallic Co-Mo catalyst supported on Al2O3 68 4.3.1 Surface and Morphological analysis of Al2O3/Co-Mo 68 4.3.2 Effect of IBSD deposition parameters on NP formation 71 4.3.3 Analysis of CCVD grown SWCNT on Al2O3/Co-Mo 72 4.3.4 Chirality and diameter analysis of SWCNTs on Al2O3/Co-Mo 76 4.4 Comparison of SWCNT from different catalyst configurations 77 5 Growth of SWCNT using gradient layer of catalyst 79 5.1 Analysis of grown SWCNT on Co-Mo using step gradient A 79 5.2 Analysis of grown SWCNT on Co-Mo using step gradient B 80 5.2.1 Growth of SWCNT by utilizing shutter at position I 80 5.2.2 Growth of SWCNT by utilizing shutter at position II 82 5.2.3 Effect of vacuum breaking on CCVD growth of SWCNT 83 6 Growth of SWCNT using gradient layer catalyst in vertical CVD reactor B 87 6.1 SWCNT growth on gradient layer of monometallic catalyst 87 6.1.1 Analysis of CCVD grown SWCNT on gradient layer of Co 87 6.1.2 Analysis of CCVD grown SWCNT on gradient layer of Ni 89 6.1.3 Comparison of SWCNT properties for monometallic of Ni and Co 90 6.2 SWCNT growth on gradient layer of bimetallic catalyst 92 6.2.1 Analysis of CCVD grown SWCNT on gradient layer of Co-Mo 92 6.2.2 Analysis of CCVD grown SWCNT on gradient layer of Co-Ru 95 6.2.3 Comparison of SWCNTs on Co-Mo and Co-Ru catalyst systems 98 6.2.4 Analysis of CCVD grown SWCNTs on gradient layer of Ni-Ru 100 7 Growth of SWCNT using spin-coated catalyst precursor in horizontal CVD reactor 103 7.1 Effect of CCVD growth temperature on SWCNT properties 103 7.2 Effect of catalyst calcination temperature on SWCNT properties 103 7.3 Analysis of CCVD grown SWCNT on Co and Co-Ru 105 7.3.1 Monolayer configuration of different Co precursors 105 7.3.2 Bilayer configuration of Co and Ru precursors 106 7.3.3 Trilayer configuration of Co and Ru precursors 107 7.3.4 Monolayer configuration of Mixture Co and Ru precursors 109 7.3.5 Comparison of SWCNTs on different catalyst configurations 110 8 Growth of SWCNT using spin-coated catalyst precursor in vertical CVD reactor B 113 8.1 Growth of SWCNT on Mixture of Co and Ru precursors 113 8.2 Effect of CVD reactor geometry on SWCNT properties 115 8.3 Effect of catalyst preparation technique on SWCNT properties 116 8.4 Wafer-level growth of SWCNT on bimetallic Co-Ru 117 9 SWCNT-based device fabrication 119 9.1 Different approaches for SWCNT-based device fabrication 119 9.2 Growth-based technique for SWCNT-based device fabrication 121 9.2.1 FET fabrication on in-plane random network SWCNT 121 9.2.2 FET fabrication on out-of-plane random network SWCNT 123 10 Summary and outlook 127 Appendix 131 Bibliography 171 List of tables 183 List of figures 185 Versicherung 197 Theses 199 Curriculum vitae 201 List of publications 203
Die hervorragenden elektronischen Eigenschaften von halbleitenden, einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren (sc-SWCNTs haben die Untersuchung dazu veranlasst, sie in verschiedenen Anwendungsbereichen wie der Mikroelektronik, Sensorik, MEMS und MOEMS einzusetzen. Herausforderungen ergeben sich jedoch aus dem Mangel an Selektivität bezüglich elektronischer Bauart und Chiralität sowie der Sicherstellung hoher Qualität, hoher Reinheit und gut aufeinander abgestimmter SWCNTs während des Herstellungsprozesses. Die Katalytische chemische Gasphasenabscheidung (CCVD) zeigt ein großes Potenzial bei der direkten Synthese von hochqualitativen SWCNTs mit Chiraler- oder Typenselektivität. Diese Dissertation behandelt drei wichtige Aspekte für das Wachstum von sc-SWCNT und deckt die Methodenentwicklung des schnellen Screenings für komplexe Katalysatorsysteme, die Prozessentwicklung für das typselektive Wachstum von SWCNTs und die Übertragung von Prozessen in einen spezifischen CVD-Reaktor ab. Der Reaktor, welcher eingebettet in die mikrotechnologische Prozesslinie ist, kann Wafer bis zu 8- Zoll verarbeiten. Raman-Spektroskopie mit mehreren Wellenlängen wird verwendet, um die Zusammensetzung von SWCNTs zu analysieren. Darüber hinaus werden verschiedene mikroskopische Techniken von REM, TEM und AFM verwendet, um die Oberflächenmorphologie von Katalysatorschichten und die Größe der Nanopartikel sowie die strukturbezogenen Eigenschaften von SWCNTs zu analysieren. Zunächst werden systematische Untersuchungen an monometallischen Co- und Bimetall-Co-Mo-Systemen mit unterschiedlichen Doppelschichtdickenkonfigurationen durchgeführt und deren Einfluss auf die Eigenschaften gewachsener SWCNTs auf Chipebene untersucht. Es wird gezeigt, dass durch Einstellung der Katalysatorabscheidungsbedingungen des Doppelschichtkatalysators sowie durch Optimierung der Gasumgebung im CCVD-Prozess die strukturbezogenen Eigenschaften von SWCNTs drastisch verbessert werden können. Darüber hinaus wurde durch die Verwendung eines Gradientenschichtkatalysators, welcher mittels einer Shutter-unterstützten Zerstäubungsabscheidung hergestellt wurde, ein schnelles und effizientes Verfahren zum Untersuchen verschiedener Doppelschichtkonfigurationen von Co-Mo, Co-Ru und Ni-Ru entwickelt. Unter Verwendung der Abscheidung einer Gradientenschicht mit einer fein aufgelösten Katalysatordicke wurden ungerichtete SWCNTs auf einem bimetallischen Co-Mo-System unter definierten Prozessbedingungen mit 45% (bei 633 nm) und 75% (bei 785 nm) halbleitender Anreicherung von langem und hochwertigem SWCNT gezüchtet. Im Gegensatz dazu wird das bimetallische Co-Ru-System unter definierten Prozessbedingungen entwickelt, um SWCNT in der Ebene mit 85% (bei 633 nm) und 75% (bei 785 nm) halbleitender Anreicherung von kurzer und geringer Qualität von SWCNT zu wachsen. Außerdem werden verschiedene Konfigurationen des Bimetall-Co-Ru-Systems aus Salzvorläufern durch Spin-Coating-Technik hergestellt. Es zeigt sich für die Bimetallkonfiguration, die durch Mischung von Cobalt (II) -chlorid und Ruthenium (III) -nitrosylacetat, ein zufälliges Netzwerk SWCNT zu 70% (bei 633 nm) und 95% (bei 785 nm) halbleitender Anreicherung langer SWCNTs mit hohem Anteil hergestellt wurde Qualität wird auf Waferebene gewachsen. Ein zufälliges Netzwerk-SWCNT mit einem hohen Grad an halbleitender Anreicherung wird als Kanalmaterial für die Herstellung von Dünnschichttransistoren verwendet, was zu einem CNTFET mit einem Ein / Aus-Verhältnis um 10*3 führte.:Bibliographic description 3 Vorwort 9 List of abbreviations and symbols 11 1 Introduction 15 2 Fundamentals of carbon nanotubes 21 2.1 Chemical bonds in carbon structures 21 2.2 Different allotropes of carbon 22 2.3 History of carbon nanotubes research 23 2.4 Structure of carbon nanotubes 24 2.5 Electronic properties of carbon nanotubes 26 2.6 Synthesis of carbon nanotubes 27 2.7 Growth mechanism of carbon nanotubes by CCVD 29 2.8 Catalyst for CCVD synthesis of SWCNTs 31 2.8.1 Catalyst nanoparticle formation from thin film 32 2.8.2 Mechanism of solid state dewetting 33 2.9 CCVD synthesis of SWCNT 35 2.10 Selective synthesis of SWCNT 37 3 Experimental 39 3.1 Preparation of different catalyst/support systems 39 3.1.1 Homogenous layer of catalyst prepared by PVD 39 3.1.2 Gradient layer deposition of catalyst by IBSD 41 3.1.3 Homogenous layer of catalyst prepared by spin coating 45 3.2 CVD reactors for synthesis of SWCNT 46 3.2.1 R&D vertical flow CVD reactor with showerhead 46 3.2.2 Industrial vertical flow CVD reactor with showerhead 47 3.2.3 Horizontal flow tube CVD reactor 49 3.3 Methods for characterization 50 3.3.1 Atomic force microscopy 50 3.3.2 Raman spectroscopy 50 3.3.3 Spectroscopic ellipsometry 56 3.3.4 X-ray reflection 56 3.3.5 Scanning electron microscopy 56 3.3.6 Transmission electron microscopy 56 4 Growth of SWCNT using PVD catalyst layer in vertical CVD reactor A 57 4.1 Monometallic Co catalyst supported on SiO2 57 4.1.1 Surface and morphological analysis of SiO2/Co 57 4.1.2 Analysis of CCVD grown SWCNT on SiO2/Co 59 4.1.3 Chirality and diameter analysis of SWCNTs on SiO2/Co 61 4.2 Monometallic Co catalyst supported on Al2O3 62 4.2.1 Surface and morphological analysis of Al2O3/Co 62 4.2.2 Analysis of CCVD grown SWCNT on Al2O3/Co 63 4.2.3 Chirality and diameter analysis of SWCNTs on Al2O3/Co 67 4.3 Bimetallic Co-Mo catalyst supported on Al2O3 68 4.3.1 Surface and Morphological analysis of Al2O3/Co-Mo 68 4.3.2 Effect of IBSD deposition parameters on NP formation 71 4.3.3 Analysis of CCVD grown SWCNT on Al2O3/Co-Mo 72 4.3.4 Chirality and diameter analysis of SWCNTs on Al2O3/Co-Mo 76 4.4 Comparison of SWCNT from different catalyst configurations 77 5 Growth of SWCNT using gradient layer of catalyst 79 5.1 Analysis of grown SWCNT on Co-Mo using step gradient A 79 5.2 Analysis of grown SWCNT on Co-Mo using step gradient B 80 5.2.1 Growth of SWCNT by utilizing shutter at position I 80 5.2.2 Growth of SWCNT by utilizing shutter at position II 82 5.2.3 Effect of vacuum breaking on CCVD growth of SWCNT 83 6 Growth of SWCNT using gradient layer catalyst in vertical CVD reactor B 87 6.1 SWCNT growth on gradient layer of monometallic catalyst 87 6.1.1 Analysis of CCVD grown SWCNT on gradient layer of Co 87 6.1.2 Analysis of CCVD grown SWCNT on gradient layer of Ni 89 6.1.3 Comparison of SWCNT properties for monometallic of Ni and Co 90 6.2 SWCNT growth on gradient layer of bimetallic catalyst 92 6.2.1 Analysis of CCVD grown SWCNT on gradient layer of Co-Mo 92 6.2.2 Analysis of CCVD grown SWCNT on gradient layer of Co-Ru 95 6.2.3 Comparison of SWCNTs on Co-Mo and Co-Ru catalyst systems 98 6.2.4 Analysis of CCVD grown SWCNTs on gradient layer of Ni-Ru 100 7 Growth of SWCNT using spin-coated catalyst precursor in horizontal CVD reactor 103 7.1 Effect of CCVD growth temperature on SWCNT properties 103 7.2 Effect of catalyst calcination temperature on SWCNT properties 103 7.3 Analysis of CCVD grown SWCNT on Co and Co-Ru 105 7.3.1 Monolayer configuration of different Co precursors 105 7.3.2 Bilayer configuration of Co and Ru precursors 106 7.3.3 Trilayer configuration of Co and Ru precursors 107 7.3.4 Monolayer configuration of Mixture Co and Ru precursors 109 7.3.5 Comparison of SWCNTs on different catalyst configurations 110 8 Growth of SWCNT using spin-coated catalyst precursor in vertical CVD reactor B 113 8.1 Growth of SWCNT on Mixture of Co and Ru precursors 113 8.2 Effect of CVD reactor geometry on SWCNT properties 115 8.3 Effect of catalyst preparation technique on SWCNT properties 116 8.4 Wafer-level growth of SWCNT on bimetallic Co-Ru 117 9 SWCNT-based device fabrication 119 9.1 Different approaches for SWCNT-based device fabrication 119 9.2 Growth-based technique for SWCNT-based device fabrication 121 9.2.1 FET fabrication on in-plane random network SWCNT 121 9.2.2 FET fabrication on out-of-plane random network SWCNT 123 10 Summary and outlook 127 Appendix 131 Bibliography 171 List of tables 183 List of figures 185 Versicherung 197 Theses 199 Curriculum vitae 201 List of publications 203

Zur Aufklärung der lokalen Magnetisierungs- und magnetischen Streufeldstruktur in ferromagnetischen und supraleitenden Materialien wurden magnetkraftmikroskopische (Magnetkraftmikroskopie-MFM) Untersuchungen durchgeführt und quantitativ ausgewertet. Für eine solch quantitative Auswertung muss der Einfluß der verwendeten MFM-Spitzen auf das MFM-Bild bestimmt und in geeigneter Weise subtrahiert werden. Hierzu wurden Spitzenkalibrierungsroutinen und ein Verfahren zur Entfaltung der gemessenen MFM-Daten implementiert, das auf der Wiener Dekonvolution basiert. Mit Hilfe dieser Prozedur können sowohl die räumliche Ausdehnung als auch die Größe der Streufelder direkt aus gemessenen MFM-Bildern bestimmt werden. Gezeigt wurde diese Anwendung für die Durchmesserbestimmung von Blasendomänen in einer (Co/Pd)-Multilage und für die Bestimmung der temperaturabhängigen magnetischen Eindringtiefe in einem supraleitendem BaFe2(As0.24P0.76)2 Einkristall. Desweiteren konnte durch die Kombination von mikromagnetischen Rechnungen und der quantitativen MFM-Datenanalyse die Existenz einer dreidimensionalen Vortex-Struktur am Ende von Co48Fe52-Nanodrähten nachgewiesen werden. Damit ist es gelungen die Tiefensensitivität der Magnetkraftmikroskopie erfolgreich in die Rekonstruktion der vermessenen Magnetisierungsstruktur einzubeziehen.:Introduction 6 1 Contrast formation in Magnetic Force Microscopy (MFM) 9 1.1 Type of interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.1.1 Relevant interaction forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.1.2 Magnetic interaction mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2 Basic magnetostatics of the tip-sample system . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.2.1 General magnetostatic expressions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.2.2 Description of the tip sample system . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.2.3 Magnetostatics in Fourier space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2 Instrumentation 20 2.1 Scanning Force Microscopy (SFM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.1.1 Measurement principle and operation modes . . . . . . . . . . . . . 20 2.1.2 Dynamic mode SFM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.2 Lift mode MFM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.3 Non-contact MFM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.4 Vibrating Sample Magnetometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3 Quantitative Magnetic Force Microscopy 28 3.1 The challenge of MFM image inversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.1.1 Description of the problem and state of the art . . . . . . . . . . . 28 3.1.2 The point probe approximations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.1.3 The transfer function approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.2 Tip calibration: Adapted Wiener deconvolution . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.2.1 Details of the procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.2.2 Evaluation of possible errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.3 Noise measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.4 MFM probes and their specific characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.5 Calibration samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.6 Detection of tip-sample modification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4 Quantitative MFM with iron filled carbon nanotube sensors (Fe-CNT) 56 4.1 The monopole character of Fe-CNT sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.1.1 Calibration within the point probe approximation . . . . . . . . . . 57 4.1.2 Calibration results and discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4.1.3 Quantitative MFM on a [Co/Pt]/Co/Ru multilayer . . . . . . . . . 62 4.2 Inplane sensitive MFM with Fe-CNT sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.2.1 Bimodal MFM technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.2.2 Comparison between calculated and measured in-plane contrast . . 66 5 Quantification of magnetic nanoobjects in MFM measurements 70 5.1 Bubble domains in a [Co/Pd]80 multilayer . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 5.1.1 Micromagnetic model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.1.2 MFM image simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.1.3 Results and discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 5.2 Quantitative assessment of the magnetic penetration depth in superconductors 78 5.2.1 Comparison of methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 5.2.2 Experimental determination of the temperature dependent penetration depth in a BaFe2(As0:24P0:76)2 single crystal . . . . . . . . . . . 83 6 Magnetization studies of CoFe nanowire arrays on a local and global scale 87 6.1 Revisiting the estimation of demagnetizing fields in magnetic nanowire arrays 88 6.1.1 Available approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 6.1.2 Calculation of demagnetizing fields in nanowire arrays . . . . . . . . 91 6.2 Micromagnetic Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 6.3 Combination of demagnetizing field calculations and micromagnetic simulation100 6.4 Experimental details . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 6.5 Global hysteresis measurements of CoFe nanowire arrays with varying length 104 6.6 Local magnetic characterization of a CoFe nanowire array by quantitative MFM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 6.6.1 Magnetic structure of individual nanowires . . . . . . . . . . . . . . 107 6.6.2 Magnetization reversal of the nanowire array . . . . . . . . . . . . . 110 6.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 Conclusions and Outlook 119 Bibliography 121 Acknowledgements 135