Hochleitfähige ultra-nanokristalline Diamantschichten zur Anwendung als mikrostrukturierte Aktoren

Abstract

Thema dieser Arbeit ist die Herstellung und Charakterisierung hochleitfähiger ultrananokristalliner Diamantschichten zur Anwendung als mikrostrukturierte Aktoren. Ziele sind zum einen eine maximale spezifische Leitfähigkeit im Wachstum elektrisch leitfähiger Schichten zu erreichen und ein Modell für die Leitfähigkeit zu entwickeln. Zum anderen wird in einem Beispiel gezeigt, wie diese Schichten in Anwendung als thermische Mikroaktoren zur Erzeugung von Kavitationsblasen geeignet sind. Die Ergebnisse gliedern sich in drei Teilbereiche: Ultra-nanokristallines Diamantwachstum, Charakterisierung hochleitfähiger nanokristalliner Diamantschichten und mikrostrukturierte Diamant-Aktoren zur Anwendung in der Medizintechnik. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass ein ultra-nanokristallines Wachstum von Diamantschichten eine Schlüsselkomponente für die elektrische Leitfähigkeit darstellt. Ultra-nanokristallines Diamantwachstum kann durch einen hohen Methangehalt im Prozessgas in Kombination mit einer hohen Substrattemperatur und einem Prozessdruck von einigen Millibar erreicht werden. Das Spektrum der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit von nano- und ultra-nanokristallinen Diamantschichten reicht von < 10E-8 (cm)E-1 bis zu einer maximalen elektrischen Leitfähigkeit von 300 (cm)E-1. Die sich dabei ergebende Mikrostruktur hochleitfähiger Diamantschichten zeigt ein besonders charakteristisches Erscheinungsbild, welches als eine nadelartige Mikrostruktur beschrieben werden kann. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Analyse dieser Schichten, die im Vergleich zu hochohmigeren Schichten betrachtet werden, um ein Modell für die Leitfähigkeit zu entwickeln. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass eine hohe elektrische Leitfähigkeit in Korrelation mit ultra-nanokristallinen Schichten steht, da diese Schichten über ein sehr großes Korngrenzenvolumen verfügen. Elektrische Messergebnisse und die Ergebnisse der Strukturanalyse belegen, dass der Ursprung der elektrischen Leitfähigkeit in sp2- -hybridisierten Kohlenstoffen zu suchen ist, die im Bereich des Korngrenzenvolumens vorhanden sind. Aus Ergebnissen der elektrischen Charakterisierung haben sich eine eindeutige Elektronenleitung (n-typ) mit sehr niedrigen Aktivierungsenergien im Bereich einiger Millielektronenvolt und einem durchgehend negativen Temperaturkoeffzienten ergeben. Gezeigt wird die elektrische Funktionsfähigkeit dieser Schichten im Temperaturintervall von -270 °C bis 900 °C. Diese Messergebnisse können auch durch Simulationen der Bandlücke bestätigt werden. Durch spektroskopische Analysen konnte die Charakterisierung der Schichten weiterentwickelt werden. Raman-Messungen und auch die optische Transmission zeigen, dass in hochleitfähigen Diamantschichten ein hoher Anteil an sp2-hybridisierten Kohlenstoffen vorhanden ist, die aus nanokristallinem Graphit bestehen. In Korrelation zur spezifischen elektrischen Leitfähigkeit steht das Volumen der Korngrenze und vor allem der atomare bzw. mikrostrukturelle Aufbau der sp2-hybridisierten Kohlenstoffe in der Korngrenze. Diese Ergebnisse der Mikrostrukturanalyse stehen auch im Einklang mit vielen elektrischen Messungen, in denen unter anderem die Korrelation zwischen der Beweglichkeit der Ladungsträger und der spezifischen Leitfähigkeit gezeigt wird. Durch hochauflösende Transmissionsaufnahmen der Mikrostruktur können sp2-hybridisierte Kohlenstoffe in der Korngrenze visualisiert werden. In hochleitfähigen ultra-nanokristallinen Diamantschichten ist ein hoher Anteil von nanokristallinen Graphit-Clustern erkennbar, die sich zwischen den einzelnen Diamantkristalliten befinden, so dass sich eine Matrix aus Graphit und Diamant bildet. Die Graphitschichten können teilweise einige Nanometer dick sein. Diese bilden die Grundlage für elektrisch hochleitfähige Diamantschichten. Dies führt zu dem Modell, dass die elektrischen Pfade im ultra-nanokristallinen Materialsystem über die interne Mikrostruktur des Korngrenzenvolumens beeinusst wird. Der dritte Teil der Ergebnisse ergibt, dass hochleitfähige Diamantschichten zur Anwendung als thermische Mikroaktoren geeignet sind. Durch Plasmaprozesse und mittels Photolithographie ist eine Mikrostrukturierung von leitfähigen Diamantschichten möglich. Dadurch konnten beliebig geformte Aktoren erzeugt werden. Es konnte erfolgreich gezeigt werden, dass durch ein gepulst betriebenes mikrostrukturiertes Bauteil thermisch Kavitationsblasen induziert werden können. Durch eine lokale Überhitzung der Oberfläche des Mikroaktors ist es möglich, innerhalb einiger Mikrosekunden eine Kavitationsblase auf der Oberfläche zu erzeugen, die unmittelbar nach ihrer Erzeugung wieder kollabiert. Die dabei frei werdende Energie kann zur gezielten Materialerosion genutzt werden, zum Beispiel in medizinischen Anwendungen zum Gewebeabtrag. Der Effekt der Blasenentstehung konnte durch ein Schlieren-Optik-Verfahren visualisiert werden. Dadurch konnte der Effekt der Blasenentstehung mit der elektrischen Ansteuerung korreliert werden. Die besonderen Materialeigenschaften nanokristalliner Diamantschichten sind Basis für die reproduzierbare Erzeugung von thermisch induzierten Kavitationsblasen. Entscheidend sind die niedrige Wärmeleitfähigkeit, die gleichzeitig hohe spezifische elektrische Leitfähigkeit, das Temperaturverhalten und die mechanische Stabilität der Schichten. Diese Technik ermöglicht zum einen in medizinischen Anwendungen minimal invasive Techniken zu optimieren und zum anderen kann gezeigt werden, dass elektrisch leitfähige Diamantschichten, aufgrund ihrer herausragenden spezifischen elektrischen Eigenschaften, ein großes Potenzial für eine Vielzahl von elektrischen Anwendungen haben. Dies ist unter anderem auf die hohe Temperaturstabilität und die Fähigkeit, dieses Material in chemisch und physikalisch anspruchsvollen Umgebungen einzusetzen, zurückzuführen. Ein weiteres Potenzial liegt in der Mikrostrukturierbarkeit dieses Materialsystems. Dadurch können leitfähige Komponenten einfach in mikromechanische Anwendungen integriert werden, die nahezu beliebig skaliert werden können.