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Titel: Catalyst-Assisted Low-Temperature Growth of ZnO Field Emitters on Free-Standing Nanomembranes
Sprache: Englisch
Autor*in: Haugg, Stefanie
Schlagwörter: electron field emission; ZnO nanowires; free-standing nanomembranes; metal organic chemical vapor deposition; Elektronenfeldemission; ZnO Nanodrähte; freistehende Nanomembranen; metallorganische chemische Gasphasenabscheidung
GND-Schlagwörter: FeldemissionGND
ZinkoxidGND
NanodrahtGND
MOCVD-VerfahrenGND
MembranGND
Erscheinungsdatum: 2021
Tag der mündlichen Prüfung: 2021-09-22
Zusammenfassung: 
Inherently large emission current densities and no need for external heating devices are major advantages of field emission based electron sources over conventional thermionic emitters. Moreover, two-dimensional arrays of electron field emitters are proposed as highly sensitive displacement sensors when positioned on a flexible base, because of the strong dependence of the field emission current on the emitter-anode distance.
This thesis presents the catalyst-assisted synthesis of high aspect ratio zinc oxide (ZnO) nanowires by metal organic chemical vapor deposition. Two individual approaches are tailored to provide a catalyst distribution that allows for the ZnO nanowire growth on free-standing nanomembranes. On the one hand, a sputter shadow mask is employed to affect the constitution of a thin gold film during deposition, and on the other hand, a porous silicon oxide (SiO2) template is used to guide the thermally induced agglomeration of catalyst particles. The morphology of the randomly distributed ZnO structures is investigated for both synthesis approaches to identify possible growth mechanisms.
Prior to studying the field emission properties of the ZnO emitters, three high vacuum setups are optimized to enhance the reproducibility of the field emission measurements. For the first synthesis approach with the sputter shadow mask, the field emission behavior of the ZnO nanowires is examined regarding the variation of the ZnO growth conditions on silicon membranes and is analyzed in dependence on the lateral dimensions of silicon nitride membranes posing as substrates. For the second synthesis approach, the processing route of the porous SiO2 template is initially optimized on bulk silicon and subsequently, the transfer to silicon nitride membranes is achieved by adjustment of the fabrication routine. Then, the field emission characteristics of the ZnO structures deposited on bulk silicon as well as of the ZnO emitters on the free-standing silicon nitride substrates, are examined.
In summary, a notable field emission current from the ZnO emitters grown within this thesis is already obtained at an applied electric field of 1.6 V/μm, which is about eighteen times lower than for ZnO structures deposited by a similar, but catalyst-free process using the same precursor. Combined with the sufficient stability of the emission current over several hours, which is demonstrated for both synthesis approaches, the ZnO nanowires on flexible bases offer the potential to be utilized in future sensor applications.

Von Natur aus große Emissionsstromdichten und die Vermeidung eines externen Heizgerätes sind die bedeutendsten Vorteile von feldemissionsbasierten Elektronenquellen verglichen mit konventionellen, thermischen Emittern. Darüber hinaus werden zweidimensionale Anordnungen von Elektronenfeldemittern, die auf einer flexiblen Basis platziert sind, als hochsensitive Abstandssensoren vorgeschlagen wegen der starken Abhängigkeit des Feldemissionsstroms von der Emitter-Anoden Distanz.
In der vorliegenden Dissertation wird die katalysatorunterstütze Synthese von Zinkoxid (ZnO) Nanodrähten mit hohem Aspektverhältnis durch metallorganische chemische Gasphasenabscheidung präsentiert. Zwei individuelle Ansätze werden entwickelt, um eine Katalysatorverteilung zu erzeugen, die das Wachstum von ZnO Nanodrähten auf freistehenden Nanomembranen ermöglicht. Einerseits wird eine Sputter Schattenmaske verwendet, um die Beschaffenheit eines dünnen Goldfilms während der Abscheidung zu beeinflussen, und andererseits wird eine poröse Siliziumoxid (SiO2) Schicht eingesetzt, um die thermisch induzierte Agglomeration von Katalysatorpartikeln zu lenken. Die Morphologie der zufällig angeordneten ZnO Strukturen wird für beide Synthese Ansätze untersucht, um mögliche Wachstumsmechanismen zu identifizieren.
Vor der Analyse der Feldemissionseigenschaften der ZnO Emitter sind drei Hochvakuum Aufbauten optimiert worden, um die Reproduzierbarkeit der Feldemissionsmessungen zu gewährleisten. Für den ersten Synthese Ansatz mit der Sputter Schattenmaske wird das Feldemissionsverhalten der ZnO Nanodrähte hinsichtlich der Variation der ZnO Wachstumsbedingungen auf Silizium Membranen erforscht und in Abhängigkeit von den lateralen Dimensionen der Siliziumnitrid Membranen, die als Substrate fungieren, analysiert. Für den zweiten Synthese Ansatz wird zunächst die Herstellung von porösem SiO2 auf Bulk-Silizium optimiert und anschließend wird die Übertragung des Prozesses auf Siliziumnitrid Membranen durch die Anpassung des Fabrikationsablaufs erreicht. Danach werden die Feldemissionseigenschaften der ZnO Strukturen auf Bulk-Silizium sowie der ZnO Emitter auf den freistehenden Siliziumnitrid Substraten betrachtet.
Zusammenfassend konnte ein Feldemissionsstrom von den ZnO Emittern bereits ab einem angelegten elektrischen Feld von 1.6 V/μm detektiert werden, welches achtzehn Mal geringer ist als für die ZnO Strukturen die mit einem ähnlichen, aber katalysatorfreien Prozess unter Verwendung des gleichen Präkursors abgeschieden wurden. Kombiniert mit der hinreichenden Stabilität des Emissionsstroms über mehrere Stunden, die für beide Synthese Ansätze demonstriert wird, haben die ZnO Nanodrähte auf den flexiblen Substraten das Potenzial zukünftig in Sensoranwendungen eingesetzt zu werden.
URL: https://ediss.sub.uni-hamburg.de/handle/ediss/9286
URN: urn:nbn:de:gbv:18-ediss-96285
Dokumenttyp: Dissertation
Betreuer*in: Blick, Robert H.
Zierold, Robert
Enthalten in den Sammlungen:Elektronische Dissertationen und Habilitationen

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