FIB generated nanowires for CMOS compatible pH sensor

Abstract

In den letzten Jahrzehnten haben sich eindimensionale Nanostrukturen als leistungsfähige Bauelemente in aktiven Nanobauteilen erwiesen. Gemeinsam mit Nanotubes bieten Nanowires (NW) die vielversprechendsten Ansätze für Miniaturisierung von optischen, elektrischen, magnetischen und Sensorbauteilen.<br />Nanowires werden üblicherweise durch das "Top-Down" oder das "Bottom-Up" Verfahren hergestellt. Erstere Methode zeichnet sich durch extreme Flexibilität aus, stößt aber bei Miniaturisierung und Uniformität schnell an ihre Grenzen. Die zweite Methode hingegen bedient sich spontaner Selbstordnungsprozesse, ist allerdings in Hinblick auf gezieltes Wachstum (Position, Dicke, etc.) eingeschränkt.<br /> Resist-less Focused Ion Beam (FIB) Techniken sind besonders für die Kombination von "Top-Down" Strukturen mit selektiven, selbstordnenden "Bottom-Up" Methoden geeignet. Die Entwicklung von selbstorganisierenden Strukturen im Nanobereich auf Festkörperoberflächen ist daher ein aktuelles Forschungsgebiet der FIB-Oberflächen-Wechselwirkungen. Da sich die Durchmesser dieser Nanostrukturen in der Größenordnung von biologischen und chemischen Proben befinden, stellen Nanowires hervorragende Bindeglieder zwischen mikroskopischen Strukturen und makroskopischen Messgeräten dar.<br />Im Rahmen der vorliegenden Diplomarbeit wird die auf FIB basierende Synthese von Nanowires auf Germanium (Ge), Gallium Antimonid (GaSb) sowie auf reinen Antimon (Sb) Substraten untersucht. Dabei kommt ein VLS (vapour-liquid-solid)-ähnliches Modell mit Gallium (Ga) als Katalysator zur Anwendung. Es wird gezeigt, dass die Beschaffenheit der Oberfläche bei Ge und GaSb maßgeblich vom Einfallswinkel des Ionenstrahls abhängt, wobei sich die Oberfläche von einer schwammartigen in eine Nanowire-artige Struktur umwandelt.<br />Zusätzlich wird die Reaktion der Sb-Oberfläche auf die Einwirkung des Ionenstrahls untersucht. Um Informationen über chemische Zusammensetzung, Kristallstruktur und Aufbau der Sb-Nanowires zu erhalten, werden Energie-dispersive Röntgenspektroskopie (EDX), Transmissionselektronenmikroskopie TEM (HRTEM) und Raman Spektroskopie verwendet.<br />Durch Annealen an Luft für 30 Minuten bei 180°C rekristallisieren die mit der FIB Methode hergestellten Nanowires, welche als chemisch stabile Elektroden für pH-Messungen eingesetzt werden können. Die Anwendung von einen Netzwerk von FIB- generierten Sb-Nanowires als eine Elektrode für pH-Wert-Messungen im Mikrobereich sowie die CMOS Kompatibilität dieser Fabrikationsmethode wird im Folgenden gezeigt. Wie die Messungen beweisen, besteht zwischen der elektromotorischen Kraft und der pH-Wert-Skala (für pH-Werte von 2 bis 10) ein linearer Zusammenhang.<br />

Over the past decade, one-dimensional nanostructures have been proven as powerful building blocks in active nanometer-scale devices.<br />Aside from carbon nanotubes, nanowires (NWs) are one of the most promising approaches considered for scaling down optic-, electronic-, magnetic- and sensor devices.<br />Nanowires are usually fabricated using either a top down or a bottom up strategy. The former technique is extremely flexible, but suffers from limitations in minimum feature size and uniformity. The latter one, utilizing spontaneous self-ordering effects, is limited by the broad size distribution and the lack of control of the positioning of the self-organized nanostructures. In particular resist-less focused ion beam (FIB) techniques are most suited for the combination of top-down structuring with selective bottom-up self-assembling techniques. One of the most recent topics in FIB-solid interaction is the evolution of self-organized nanoscale pattern on solid surfaces. The diameters of these nanostructures are comparable to the sizes of biological and chemical species, and thus intuitively represent excellent primary transducers for producing signals that ultimately interface with macroscopic instruments. The FIB based approach for synthesis of nanowires, based on a model similar to VLS with gallium (Ga) acting as catalyst, on germanium (Ge), on gallium antimonide (GaSb) and on pure antimony (Sb) substrates is discussed. The influence of the ion beam-substrate incidence angle on the surface evolution in the case of Ge and GaSb is shown. The surface evolutes from the sponge-like into the wire-like form according to an incidence angle change.<br />Additionally, the Sb surface response on FIB is investigated in detail.<br />Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX), Transmission electron microscopy TEM (HRTEM) and Raman investigations were performed to gain information about the chemical compound, crystal structure and the composition of the Sb nanowires. The Raman investigation showed that the FIB assisted grown Sb nanowires consist of Sb with a thin oxide shell.<br />TEM and HRTEM analysis showed that the as-grown nanowires are amorphous.<br />FIB generated nanowires which are annealed for 30 minutes at 180°C in air are recrystallized and can be used as a chemically stable electrode for a pH measurement device.<br />The application of a FIB generated Sb nanowire network as a microscale pH sensing electrode is explored. The CMOS compatible fabrication method and the pH measurement is shown. The measurements showed linear relationship between electromotive force (e.m.f.) and the pH scale (pH 2 to pH 10).<br />