DE102022121638A1 - Anordnung von Kohlenstoffnanoröhren und ein Verfahren zur Herstellung der Anordnung - Google Patents

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Sandeep Yadav
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Abstract

Eine Anordnung von Kohlenstoffnanoröhren, CNT, ist offenbart. Die Anordnung umfasst: ein Substrat (100); einen ersten CNT-Block (110), der von dem Substrat (100) aufragt; einen zweiten CNT-Block (120), der von dem Substrat (100) aufragt, wobei der erste CNT-Block (110) und der zweiten CNT-Block (120) voneinander beabstandet sind; und eine CNT-Verbindung (130), die den ersten CNT-Block (110) mit dem zweiten CNT-Block (120) verbindet. Die CNT der CNT-Verbindung (130) in einer gleichen Richtung ausgerichtet sind wie die CNT des ersten CNT-Blocks (110) oder des zweiten CNT-Blocks (120)

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung von Kohlenstoffnanoröhren, CNT (Engl. carbo nanotubes), einen Sensor und ein Verfahren zur Herstellung der Anordnung. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf eine nanostrukturierte 3-dimensionale (3D) Brückenstruktur mit einem integrierten Widerstandssensor und insbesondere auf CNT-Brücken mit variabler Position zwischen einer Substratoberfläche und einem oberen Ende.
  • HINTERGRUND
  • Es besteht ein großer Bedarf an Sensoren, die miniaturisiert auf kleinsten Raum verschiedenste Sensorgrößen erfassen können. Eine Möglichkeit besteht in sogenannten MEMS-Sensoren (MEMS = Mikro-Elektro-Mechanische-Systeme). Diese Sensoren nutzen jedoch in der Mehrzahl separate mechanische, elektrische bzw. optische Sensoren und beruhen auf Halbleiter-Membranen oder Cantilever aus Silizium oder ähnlichen Materialien. Neben dem Federelement wird dabei ein zusätzlicher Sensor zur Auslesung der Auslenkungsdaten benötigt. Dieser wird zusätzlich zum Bauteil häufig aufwendig integriert, um die gewünschte Antwort des eigentlichen Sensorelementes auf eine beispielhafte Auslenkung des Federelementes zu erhalten. Oft ist außerdem eine zusätzliche On-Chip Signalverarbeitung notwendig.
  • Zukünftige Sensorgenerationen erfordern jedoch wesentlich verbesserte örtliche Auflösungen (wie z.B. die Kraftmessung bei biologischen Zellen), hohe Empfindlichkeiten, Flexibilität beim Einsatz (z.B. Aufbringung auf gekrümmten Fläche) und/oder eine direkte Signalverarbeitung mit einem integrierten Sensor.
  • Daher besteht ein Bedarf nach weiteren Anordnungen, die als miniaturisierte Sensoren geeignet sind.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Zumindest ein Teil der obengenannten Probleme wird durch eine Anordnung von Kohlenstoffnanoröhren nach Anspruch 1 und ein Verfahren zu deren Herstellung nach Anspruch 13 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Weiterbildungen der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche.
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung von Kohlenstoffnanoröhren, CNT, wobei die Anordnung Folgendes umfasst: ein Substrat, einen ersten CNT-Block, der von dem Substrat aufragt, einen zweiten CNT-Block, der auch von dem Substrat aufragt, wobei der erste CNT-Block und der zweiten CNT-Block voneinander beabstandet sind. Die CNT-Anordnung umfasst weiter eine CNT-Verbindung, die den ersten CNT-Block mit dem zweiten CNT-Block verbindet, wobei die CNT der CNT-Verbindung in einer gleichen Richtung ausgerichtet sind wie die CNT des ersten CNT-Blocks und/oder des zweiten CNT-Blocks.
  • Die Ausrichtung der CNT kann als axiale Richtung der Röhren bei deren Wachstum verstanden werden. Hierbei handelt es sich um eine Vorzugsrichtung, wobei das eine oder andere CNT in eine leicht andere Richtung zeigen kann, jedoch die Gesamtheit aller CNT die Vorzugsrichtung aufweisen.
  • Optional umfasst die CNT-Verbindung eine CNT-Brücke oder eine CNT-Wand. Die CNT-Brücke berührt beispielsweise nur den ersten CNT-Block und den zweiten CNT-Bock, nicht aber die unterhalb liegende Struktur (z.B. eine Substratoberfläche).
  • Optional umfasst die Anordnung eine Haftminderungsschicht in einem Bereich auf dem Substrat, der sich unterhalb der CNT-Brücke befindet.
  • Optional weist die CNT-Verbindung bzw. die CNT-Brücke zumindest eine der folgenden Eigenschaften auf:
    • - eine vorbestimmte Dicke,
    • - eine vorbestimmte Breite,
    • - ist in einem vorbestimmtem Abstand über dem Substrat gebildet.
  • Der Begriff „vorbestimmt“ kann einen gezielt eingestellten Wert umfassen (z.B. gemessen in µm). Es kann sich dabei aber auch um einen relativen Wert handeln (z.B. Dicke, Breite, Höhe gemessen relativ zur Größe eines CNT-Blocks).
  • Optional ändert sich die Dicke und/oder die Breite und/oder der Abstand entlang der Verbindung zwischen dem ersten CNT-Block und dem zweiten CNT-Block in einer vorbestimmten Weise. Beispielsweise können diese Größen konisch verlaufen oder in einem Mittelbereich verstärkt ausgebildet sein.
  • Optional können die CNT-Blöcke alle eine andere Geometrie aufweisen. So können sich die CNT-Blöcke in der Höhe und/oder Breite und/oder Tiefe voneinander unterscheiden. Hierfür können verschiedene Metallisierungen zwischen den auszubildenden CNT-Blöcken und dem Substrat genutzt werden.
  • Die CNT-Blöcke wachsen zwar im Herstellungsprozess vertikal nach oben. Sie sind jedoch nicht immer entlang eine geraden Linie. Optional können daher die CNT in den CNT-Blöcken und/oder in der CNT-Verbindung gekrümmt (z.B. spulen- oder spiralförmig) ausgebildet sein.
  • Optional umfasst die Anordnung zumindest eine der folgenden elektrischen Kontaktierungen des ersten CNT-Blocks und/oder des zweite CNT-Blocks:
    • - eine erste Kontaktschicht zur Kontaktierung des ersten CNT-Blocks, wobei die erste Kontaktschicht neben oder teilweise unterhalb des ersten CNT-Blocks auf dem Substrat gebildet ist (kann z.B. ein Metall aufweisen),
    • - eine zweite Kontaktschicht zur Kontaktierung des zweiten CNT-Blocks, wobei die zweite Kontaktschicht neben oder teilweise unterhalb des zweiten CNT-Blocks auf dem Substrat gebildet ist (kann z.B. ein Metall aufweisen),
    • - eine erste Verbreiterung des ersten CNT-Blocks an einer dem Substrat zugewandten Seite,
    • - eine zweite Verbreiterung des zweiten CNT-Blocks an einer dem Substrat zugewandten Seite.
  • Die erste Verbreiterung und zweite Verbreiterung können optional als CNT-Blöcke auf der ersten Kontaktschicht bzw. auf der zweiten Kontaktschicht ausgebildet sein, um so einen zuverlässigen elektrischem Kontakt zu dem ersten CNT-Block und dem zweiten CNT-Block auszubilden.
  • Es versteht sich, dass sich Ausführungsbeispiele auch auf Anordnungen beziehen, die keine elektrische Kontaktierungen aufweisen. Die CNT-Verbindung oder eine CNT-Brückenstruktur hat einen kleinen lateralen Wärmeleitfähigkeit (im Vergleich zur longitudinalen Richtung der CNT) und kann daher als Plattform dienen, um Temperaturänderungen besser messen zu können. Die Auswertung kann beispielsweise rein optisch über ein Mikroskop erfolgen.
  • Optional umfasst Anordnung zumindest eine weitere CNT-Verbindung, die den ersten CNT-Block mit dem zweiten CNT-Block verbindet. Die CNT der weiteren CNT-Verbindung können in einer gleichen Richtung ausgerichtet sein wie die CNT des ersten CNT-Blocks und/oder des zweiten CNT-Blocks. Die zumindest eine weitere CNT-Verbindung kann parallel zu der CNT-Brücke verlaufen. Die weitere CNT-Verbindung kann optional eine weitere CNT-Brücke sein und sich zumindest teilweise oberhalb oder unterhalb der CNT-Brücke angeordnet sein. Die Begriffe „unten“ bzw. „oben“ können in Bezug auf die vertikale Richtung (z.B. entlang der Gravitation) während der Verwendung definiert sein.
  • Optional ist die CNT-Verbindung mit der zumindest einen weiteren CNT-Verbindung durch eine Querverbindung aus CNT verbunden. Auch diese Querverbindung kann aus CNT mit einer gleichen Ausrichtung wie die CNT-Blöcke gebildet sein.
  • Optional umfasst die Anordnung einen oder mehrere weitere CNT-Blöcke, die von dem Substrat aufragen. Die CNT-Verbindung und/oder die zumindest eine weitere CNT-Verbindung können derart gebildet sein, dass sie den ersten CNT-Block, den zweiten CNT-Block und die eine oder mehreren weiteren CNT-Verbindungen verbinden.
  • Optional umfasst die Anordnung eine Beschichtung auf zumindest einer der folgenden Komponenten:
    • - die CNT-Verbindung,
    • - die zumindest eine weitere CNT-Verbindung,
    • - der erste CNT-Block,
    • - der zweite CNT-Block,
    • - der zumindest eine weitere CNT-Block.
  • Die Beschichtung kann ausgebildet sein, um den thermoresistiven Effekt zu erhöhen und/oder um einen pyroelektrischen, thermochromen oder piezoelektrischen Effekt zu bewirken.
  • Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf einen Sensor mit einer zuvor beschriebenen Anordnung von Kohlenstoffröhren (CNT) und einer Auswerteeinheit, die ausgebildet ist, um elektrische Kenndaten der Anordnung zu bestimmen und, basierend darauf, zumindest eine der folgenden Messungen mit der Anordnung auszuführen:
    • - eine Leistungsmessung einer elektromagnetischen Welle,
    • - eine Kraftmessung,
    • - eine Beschleunigungsmessung,
    • - eine Strömungsmessung.
  • Bei dieser Messung kann beispielsweise Größen wie eine Impedanz (z.B. über Änderungen von Resonanzeigenschaften), ein Widerstand, erzeugte Wärme, eine elektrische Spannung bestimmt werden, wobei die bestimmten Werte von Deformationen bzw. Erwärmungen der Anordnung abhängen. Die Anordnung ist daher besonders nützlich für Anwendungen in denen mechanische Verformungen oder eine Detektion von elektrischen bzw. optischen Signalen gemessen werden sollen. Die ermittelten Sensorelemente können insbesondere zur Detektion von Mikro-, Millimeter-, THz-Wellen und/oder optischen Signalen (z.B. Infrarotlicht) eingesetzt werden.
  • Die gute Sensierung ist eine Folge der starken Widerstandsänderung der Sensorelemente bei Komprimierungen infolge der Auslenkung der vertikal ausgerichtete Blöcke. Die Auslenkung führt beispielsweise dazu, dass die einzelnen CNT in Kontakt miteinander geraten und somit den elektrischen Widerstand deutlich ändern. Auf diese Weise ist der integrierter Widerstandsensor insbesondere auch als Kraftsensor einsetzbar.
  • Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich daher auch auf eine Verwendung der beschriebenen Anordnung für zumindest eine der folgenden Anwendungen:
    • - als Bolometer,
    • - als Leistungsmesser für THz Signalen,
    • - als Kraftmesser,
    • - als Beschleunigungsmesser.
  • Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Anordnung von Kohlenstoffnanoröhren, CNT. Das Verfahren umfasst:
    • - Bereitstellen eines Substrats mit einer Substratoberfläche;
    • - Ausbilden eines ersten CNT-Blocks auf der Substratoberfläche;
    • - Ausbilden eines zweien CNT-Blocks auf der Substratoberfläche, wobei der erste CNT-Block und der zweiten CNT-Block in einem Abstand voneinander ausgebildet werden wobei sich die Höhe, Breite und /oder Tiefe des ersten und des zweiten CNT-Blocks voneinander unterscheiden können; und
    • - Ausbilden einer CNT-Verbindung, die den ersten CNT-Block mit dem zweiten CNT-Block verbindet.
  • Die CNT der CNT-Verbindung werden in einer gleichen Richtung ausgerichtet wie die CNT des ersten CNT-Blocks und/oder des zweiten CNT-Blocks.
  • Optional umfasst der Schritt des Bereitstellens des Substrats ein Ausbilden einer Haftminderungsschicht in einem Bereich auf der Substratoberfläche, der von der CNT-Verbindung lateral eingenommen wird (d.h. der Bereich ist die laterale Position der CNT-Verbindung).
  • Es versteht sich, dass die Schritte im Herstellungsprozess nicht zwingend getrennt ausgeführt werden. Gemäß Ausführungsbeispielen wird nur ein CNT-Wachstumsprozess ausgeführt, um die beschriebene CNT-Anordnung herzustellen. Vorteilhafterweise werden die Schritte auch gleichzeitig ausgeführt. Eine Trennung der Prozessschritte erschwert eine Strukturierung (z.B. ein Ausbilden von Brücken) deutlich.
  • Ausführungsbeispiele überwinden die eingangs genannten Probleme durch die Nutzung von CNT, die aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften z.B. für Bolometer oder mechanische Sensoren die gewünschten Funktionalitäten liefern. Zu diesen Eigenschaften zählt beispielsweise:
    • - CNT sind eindimensional Kohlenstoffstrukturen mit einem hohen Aspektverhältnis (Verhältnis von Länge zu Radius).
    • - CNT können in verschiedenen Orientierungen, Abmessungen und Dicken hergestellt werden.
    • - CNT-basierte nano-elektromechanische Systeme (NEMS) sind Schwarzkörper mit breitbandiger Absorption.
    • - CNT verfügen über hervorragende elektrische, thermische und mechanische Eigenschaften mit höchster Komprimierbarkeit, struktureller Flexibilität sowie hoher thermischer und chemischer Resistenz. Freistehende Folien mit vertikal ausgerichteten Kohlenstoffnanoröhren haben eine Komprimierbarkeit von bis zu 85 %.
  • Diese Eigenschaften machen die CNT als neuartige Sensormaterialien zu einem attraktiven Material für Druck-, Vibrations- und taktilen Sensoren. Insbesondere die Ausrichtung (fast) aller CNT in eine Vorzugsrichtung verbessert die Sensoreigenschaften deutlich. Der Einsatz ungeordneter CNT ist dagegen aufgrund ihrer ungleichmäßiger Länge, Durchmesser und Dichte der CNT nur begrenzt möglich. Ausführungsbeispiele stellen daher eine einfache und günstige Alternative zu den bisherigen etablierten Sensoren basierend auf Halbleiterbiegebalken oder Membranstrukturen dar.
  • Weitere Vorteile von Ausführungsbeispielen sind zum Beispiel:
    • - Eine einfache Herstellung 3-dimensionaler CNT-Brückenstrukturen wird möglich, deren Freiheitgrade flexibel angepasst werden können. So können z.B. die Dichte, Länge, Höhe sowie eine Dicke der CNT-Verbindungen/CNT-Brücken an die elektrische, optische oder mechanische Sensierung angepasst werden.
    • - Kleinste Sensorabmessungen (z.B. Kantenlänge < 2 µm oder weniger als 10 µm) können erreicht werden, wobei die Sensoren trotzdem in großem Maßstab hergestellt werden können.
    • - Die Sensoren können einfache Kontaktierungen (Mikro-Nanointegration) für die CNT-Blöcke aufweisen, z.B. mittels eines oder mehrerer lateraler Metall-Kontakte.
    • - Eine Integration eines Widerstandsensor mit hoher Sensorantwort bzw. Empfindlichkeit ist möglich.
    • - Die 3D CNT Sensoren können eine Plattform für vielfältige elektrische, optische und mechanische Anwendungen darstellen. So sind z.B. flexible und tragbare Sensoren sowie Detektoren möglich.
  • Diese Vorteile werden einen technologisch neuartigen Zugang und erhebliche Leistungsverbesserung im Vergleich zu derzeit verwendeten Bolometern und Kraftsensoren, die auf mikro- bzw. nanoelektromechanischen Systemen basieren, ermöglichen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele, die jedoch nicht so verstanden werden sollten, dass sie die Offenbarung auf die spezifischen Ausführungsformen einschränken, sondern lediglich der Erklärung und dem Verständnis dienen.
    • 1A zeigt eine Anordnung von Kohlenstoffnanoröhren, CNT, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
    • 1B zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild für die Anordnung aus der 1A.
    • 2A, 2B zeigen weitere vorteilhafte Weiterbildungen für die CNT-Anordnung gemäß weiteren Ausführungsbeispielen.
    • 3A,3B zeigen Draufsichten auf die Oberfläche des Substrats mit der CNT-Anordnung gemäß Ausführungsbeispielen.
    • 4 zeigt die CNT-Anordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform, bei der mehrere CNT-Brücken ausgebildet sind.
    • 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der CNT-Anordnung, bei der mehr als zwei CNT-Blöcke ausgebildet sind.
    • 6 zeigt ein vereinfachtes Flussdiagramm für ein Verfahren zur Herstellung der CNT-Anordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • 1A zeigt eine Anordnung von Kohlenstoffnanoröhren, CNT, gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Anordnung umfasst: ein Substrat 100, einen ersten CNT-Block 110, einen zweiten CNT-Block 120 und eine CNT-Verbindung 130. Der erste CNT-Block 110 und der zweite CNT-Block 120 ragen jeweils vom Substrat 100 auf und sind voneinander beabstandet (d.h. berühren sich nicht). Die CNT-Verbindung 130 verbindet den ersten CNT-Block 110 mit dem zweiten CNT-Block 120.
  • In diesem und den folgenden Ausführungsbeispielen wird meist davon ausgegangen, dass die CNT-Verbindung 130 eine CNT-Brücke 130 darstellt, obwohl die Erfindung darauf nicht eingeschränkt werden soll. Die CNT-Verbindung 130 kann insbesondere auch eine senkrecht aufrechtstehende Wand darstellen, die die Substratoberfläche 102 berührt. Alle Eigenschaften, die im Folgenden mit der CNT-Brücke 130 beschrieben werden, können gemäß Ausführungsbeispielen genauso für eine allgemeine CNT-Verbindung 130 ausgebildet sein.
  • Die CNT bilden Röhren (Engl. tubes), sich in ihrer Wachstumsrichtung linear erstrecken. Gemäß Ausführungsbeispielen sind die CNT ausgerichtet. Mit anderen Worten, sie sind nicht zufällig verteilt. Die CNT der CNT-Brücke 130 haben z.B. eine gleiche Ausrichtung wie die CNT des ersten CNT-Blocks 110 und/oder des zweiten CNT-Blocks 120. Insbesondere können daher alle CNT in eine gleichen Richtung ausgerichtet sein. Sie erstrecken sich z.B. senkrecht zu einer Substratoberfläche 102, auf der die Anordnung gebildet wird.
  • Außerdem kann die Anordnung eine Haftminderungsschicht 105 umfassen, die auf der Substratoberfläche 102 ausgebildet ist und sich vertikal unterhalb der CNT-Brücke 130 befindet. Der Zweck der Haftminderungsschicht 105 besteht darin, ein Anhaften der CNT der CNT-Brücke 130 auf der Substratoberfläche 105 zu verhindern bzw. zumindest zu vermindern. Außerdem kann dort das Wachstum der CNT unterdrückt sein. Bei einem Herstellungsprozess wachsen die CNT zumindest teilweise von unten (Substratseite). Da die CNT der CNT-Brücke 130 an den CNT des ersten CNT-Blocks 110 und des zweiten CNT-Blocks 120 anhaften und da die Haftminderungsschicht 105 ein Wachstum bzw. ein Anhaften der CNT an der Haftminderungsschicht 105 unterdrückt, wird die CNT-Brücke 130 bei der Herstellung vertikal in die Höhe gehoben. Um diesen Effekt zu erreichen, kann die Haftminderungsschicht 105 ein angepasstes Material aufweisen, d.h. das Material verringert die Haftung an dem Substrat 100 bzw. die Wachstumsrate im Vergleich zu der Wachstumsrate des ersten CNT-Blocks 110 und des zweiten CNT-Blocks 120 an dem Substrat 100. Beispielsweise kann das Material der Haftminderungsschicht 105 ein Metall wie Tantal aufweisen.
  • Die Anordnung aus der 1A umfasst weiter eine erste Kontaktierungsschicht 115 und eine zweite Kontaktierungsschicht 125. Die erste Kontaktierungsschicht 115 dient der elektrischen Kontaktierung des ersten CNT-Blocks 110. Die zweite Kontaktierungsschicht 125 dient der elektrischen Kontaktierung des zweiten CNT-Blocks 120. Die erste Kontaktierungsschicht 115 und die zweite Kontaktierungsschicht 125 können beispielsweise ein Metall aufweisen, während das Substrat 100 ein Dielektrikum sein kann. Die erste Kontaktschicht 115 und die zweite Kontaktschicht 125 können beispielsweise als Kontaktpads gebildet sein. Beispielsweise kann dann die elektrische Kontaktierung über laterale metallische Leitungen auf dem Substrat, ein Drahtbonding oder Verlöten erfolgen.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen ist das Substrat 100 kein Isolator (sondern elektrisch leitfähig). Beispielsweise kann ein leitfähiges Substrat 100 mit einer Isolationsschicht wie SiO2 (z.B. 600 nm) versehen sein, wobei die Isolationsschicht zwischen dem eigentlichen Substrat 100 und den CNT-Blöcken 110, 120 ausgebildet ist. Das Substrat 100 kann dann beispielsweise Silizium mit einer nicht relevanten Dotierung aufweisen. Weiterhin kann das Substrat 100 Heteroschichten aufweisen. So können z.B. mehrere metallische Leitungsschichten in mehreren Ebenen ausgebildet sein. Dadurch kann die vertikale Kontaktierung der einzelnen Sensorelemente optimierter realisiert werden.
  • 1B zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild für die Anordnung aus der 1A, die gemäß Ausführungsbeispielen an eine Auswerteeinheit 200 angeschlossen ist. Die Auswerteinheit 200 kann über die beiden Kontaktschichten 115, 125 ein elektrisches Signal in die Anordnung eingeben oder ein entsprechendes elektrisches Signal von dort abgreifen, während die CNT-Anordnung selbst einen variablen Widerstand Rgesamt darstellt. Der Widerstand Rgesamt ändert sich in Abhängigkeit von verschiedenen physikalischen Größen und wird im Wesentlichen durch den Brückenwiderstand RBrücke der CNT-Brücke 130 bestimmt. Beispielsweise kann der elektrische Widerstand in Abhängigkeit einer einwirkenden Kraft, einer Verbiegung der CNT, einer Temperatur, einer Umströmungsgeschwindigkeit durch ein Medium oder auch durch eine Intensität von einer einstrahlenden elektromagnetischen Strahlung geändert werden. Dies wird möglich, da bei einer Kompression oder Verformung der Anordnung die einzelnen CNT eine verstärkte Interaktion oder intensiveren Kontakt mit ihren benachbarten CNT haben. Dadurch ändert sich der elektrische oder thermische Widerstand deutlich. Da der Wärmewiderstand senkrecht zu den CNT um mehrere Größenordnungen höher ist als entlang der CNT, kann eine laterale Wärmeverteilung sehr gut erfasst werden. Daher ist die Anordnung als hochsensitiver Sensor nutzbar.
  • Gemäß Ausführungsbeispielen kann eine vielfältige Auswertung durch die Auswerteeinheit 200 vorgenommen werden. Neben der Auswertung der Änderung des elektrischen Widerstandes bei einer Deformation oder Temperaturänderung, können auch mit einem Mikroskop optische Farbänderungen mit der Temperaturänderung der CNT-Brücke 130 oder einer zusätzlichen Beschichtung ausgewertet werden. Optional können auch biochemische Farbänderungen einer zusätzlichen Beschichtungsschicht mit der CNT-Brücke 130 oder eine komplexeren Brückenstruktur detektiert werden, weil sich die Lichtdurchlässigkeit ändert und somit die Temperaturänderung der Brücke modifiziert. Weiterhin können mit piezoelektrischen oder pyroelektrischen Beschichtungen der CNT-Brücke 130 und/oder der CNT-Blöcke 110, 120 elektrische Signale (z.B. Spannung, Strom) erzeugt und ausgewertet werden.
  • Die Sensoreigenschaften können weiter verbessert werden, wenn die CNT-Anordnung eine Beschichtung aufweist (nicht in den Figuren gezeigt). Die Beschichtung kann z.B. bei einer Temperaturänderung ihre Farbe ändern, sodass über optische Messungen eine Temperatur messbar wird. Die Beschichtung kann auch ein thermoelektrisches, thermochromes, thermosensitives bzw. piezoelektrisches Material aufweisen (wie z.B. Zink-Oxid, ZnO, Vanadium-Oxid, VOx). Gemäß diesem oder weiteren Ausführungsbeispielen kann die CNT-Brücke 130 auch als Träger für vielfältige 2D-Materialien dienen (z.B. Graphene, Metallsulfide wie z.B. MoS2, SnS2 usw.). Auf diese Weise können hochempfindliche piezoresistive Sensoren mit einer reproduzierbaren lateralen Widerstandabnahme realisiert werden.
  • Aufgrund ihrer geringen Größe (z.B. deutlich kleiner als 1 mm) ermöglichen Ausführungsbeispiele hochortsauflösende mechanische Sensoren sowie elektrische und optische Detektoren. Die Messung kleinster Verformungen mit hoher örtlicher Auflösung wird möglich. Auch die geringe laterale thermische Leitfähigkeit (parallel zur Substratoberfläche 102) ermöglicht die Messung kleinster Temperaturänderungen, die durch die Absorption von Mikro-, Millimeter-, THz-Wellen und optischen Signalen (z.B. Infrarotlicht) verursacht werden.
  • 2A und 2B zeigen vorteilhafte Weiterbildungen für die CNT-Anordnung gemäß weiteren Ausführungsbeispielen. In der 2A ist eine Anordnung gezeigt, bei der eine Dicke D der CNT-Brücke 130 gezielt auf einen vorbestimmten Wert eingestellt wird. Die Dicke D kann beispielsweise entlang der Flächennormalen, die senkrecht auf der Substratoberfläche 102 steht, gemessen werden. In der 2A ist beispielsweise die Dicke D größer gewählt als in der Ausführungsform aus dem 2B. Außerdem ist in der Ausführungsform der 2B der Abstand H von der Substratoberfläche 102 größter als in der Ausführungsform aus der 1.
  • Dies hat beispielsweise den technischen Effekt, dass die CNT-Brücke 130 einen anderen elektrischen Widerstand aufweist. Außerdem wird die CNT-Brücke 130 dadurch stärker auslenkbar. Bei einer Scherkraft wird z.B. die Ausführungsform der 2B sich leichter verbiegen als beispielsweise die Anordnung aus der 1 oder der 2A. Bei der CNT-Brücke 130 aus der 2A besteht aber ein größerer Angriffspunkt für eine beispielhafte Strömung, die z.B. senkrecht zur Zeichenebene verlaufen kann.
  • Da die vertikaler ausgerichteten CNT-Blöcke 110, 120 bzw. die CNT-Brücke 130 Schwarzkörper sind, absorbieren sie einfallende Strahlung breitbandig. Daher sind Ausführungsbeispiele sehr gut geeignet als Sensorelement zur Detektion einfallender Strahlung. Der Absorptionskoeffizient kann gemäß Ausführungsbeispielen mit der CNT-Dichte, Dicke D, Höhe H und Länge der CNT-Brücke 130 flexibel eingestellt werden (vgl. 2A, 2B). Gleiches trifft zu für die thermische Leitfähigkeit. So ist der Wärmewiderstand senkrecht zu den CNT um mehrere Größenordnungen höher als entlang der CNT. Daher kann eine laterale Wärmeverteilung sehr gut erfasst werden.
  • Gemäß Ausführungsbeispielen umfasst die CNT-Brücke 130 daher eine vorbestimmte Geometrie, die variabel einstellbar ist und an die Verwendung angepasst werden kann. Die Geometrie kann dabei durch die Dicke D, den Abstand oder Höhe H von der Substratoberfläche 102, die Länge bestimmt sein.
  • Die Ausführungsform aus der 2B umfasst weiter eine erste Verbreiterung 117 und eine zweite Verbreiterung 127, die in einem Fußbereich des ersten CNT-Blocks 110 bzw. des zweiten CNT-Blocks 120 ausgebildet sind. Die erste Verbreiterung 117 des ersten CNT-Blocks 110 und die zweite Verbreiterung 127 des zweite CNT-Blocks 120 dienen der Verbesserung des elektrischen Kontaktes. So kann die erste Kontaktschicht 115 zumindest teilweise unterhalb der ersten Verbreiterung 117 und die zweite Kontaktschicht 125 teilweise oder ganz unterhalb der zweiten Verbreiterung 127 ausgebildet sein. Dadurch kann ein elektrisches Signal (Strom oder Spannung) sehr effizient in die CNT-Anordnung eingeleitet werden kann bzw. abgegriffen werden. Ohne die Verbreiterungen 117, 127 könnte es ansonsten zwischen den Kontaktschichten 115, 125 und den CNT-Blöcken 110 120 zu Mikrorissen kommen, die den elektrischen Kontakt gefährden würden.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen ist es möglich, dass die erste Kontaktschicht 115 auch teilweise unterhalb des ersten CNT-Blocks 110 angeordnet ist. Gemäß Ausführungsbeispielen ist es auch möglich, dass die zweite Kontaktschicht 125 teilweise unterhalb des zweiten CNT-Blocks 120 angeordnet ist.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen erfolgt die elektrische Kontaktierung des ersten CNT-Blocks 110 bzw. des zweiten CNT-Blocks 120 durch das Substrat 100 hindurch. Dazu können beispielsweise in dem Substrat 100 Durchkontaktierungen vorgesehen sein, die das elektrische Signal nicht seitlich abnehmen, sondern eine elektrische Kontaktierung von unten erlauben. Auf dem Substrat 100 können auch bereits Leitungen vorhanden sein (z.B. als eine Leiterplatte), die von den Kontaktschichten 115, 125 elektrische kontaktiert werden. Diese Anordnungen sind in den Figuren nicht zu sehen.
  • 3A, 3B zeigen Draufsichten auf weiteren Ausführungsbeispielen der CNT-Anordnung, die auf der Oberfläche 102 des Substrats 100 gebildet ist, wobei hier die CNT-Brücke 130 eine variabel einstellbare Breite B aufweist. Gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Breite B der CNT-Brücke 130 in der Ausführungsform der 3A breiter als in der Ausführungsform der 3B.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen ist die Breite B der CNT-Brücke 130 entlang der Verbindungslinie zwischen dem ersten CNT-Block 110 und dem zweiten CNT-Block 120 nicht konstant (d.h. variabel). Ebenso ist es möglich, dass die Dicke D der CNT-Brücke 130 bzw. der Abstand H (siehe zum Beispiel 2A, 2B) entlang der Verbindungslinie zwischen dem ersten CNT-Block 110 und dem zweiten CNT-Block 120 nicht konstant ist/sind, sondern variabel sind. Somit kann die Geometrie (z.B. Breite B, Dicke D) der CNT-Brücker 130 als auch deren Abstand H vom Untergrund (Substrat 100) variabel gewählt werden und an die gewünschte Anwendung angepasst werden. Je nachdem wie stark die CNT-Anordnung durch die Anwendung beansprucht wird, kann die CNT-Brücke 130 entsprechend dicker oder dünner gewählt werden. Zum Beispiel ist eine dünnere Brücke sensitiver im Hinblick auf Verbiegungen, während eine CNT-Brücke 130 mit einer größeren Dicke D oder Breite B größeren Kräften standhalten kann.
  • Die verschiedenen Geometrien können über die Ausgestaltung der Haftminderungsschicht 105 erzeugt werden. So kann die Haftminderungsschicht 105 beispielsweise nicht homogen sein bzw. verschiedene Materialien oder Dicken aufweisen, die zu einem nicht konstanten Wachstum bei der CNT-Brücke 130 führen. Die Haftminderungsschicht 105 kann beispielsweise strukturiert sein (z.B. streifenförmig), um die Wachstumsrate örtlich unterschiedlich zu ändern.
  • 4 zeigt die CNT-Anordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform, bei der nicht nur eine Brücke den ersten CNT-Block 110 mit dem zweiten CNT-Block 120 verbindet, sondern zwei CNT-Brücken 130, 135 zwischen den CNT-Blöcken 110, 120 ausgebildet sind. Außerdem sind die zwei CNT-Brücken 130, 135 über eine Querverbindung 137 miteinander verbunden.
  • Es versteht sich, dass gemäß weiteren Ausführungsformen nicht nur zwei CNT-Brücken die CNT-Blöcke 110, 120 verbinden, sondern dass mehr als zwei CNT-Brücken ausgebildet werden können, die untereinander verbunden sein können oder auch nicht verbunden sind.
  • Ein Vorteil der optionalen Querverbindung(en) 137 zwischen den CNT-Brücken 130, 135 besteht darin, dass dadurch die CNT-Brücken 130, 135 selbst dünner gebildet werden können und die Stabilität über die Querverbindung 137 verbessert wird. Die dünnen CNT-Brücken 130, 135 wären dann hochsensitiv für Änderungen des elektrischen oder thermischen Widerstandes. Die Querverbindungen 137 hätten auf die Sensitivität dann nur einen geringeren Einfluss, würden aber sicherstellen, dass bei der gewünschten Anwendung die CNT-Brücken 130, 135 nicht zerstört werden, sondern möglichst langlebig sind.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen werden gezielt sehr viele CNT-Brücken 130, 135 ausgebildet, so dass selbst bei Verlust der einen oder anderen CNT-Brücke, die Anordnung immer noch als Sensor genutzt werden kann. Gegebenenfalls könnten dann regelmäßige Kalibrierungen erforderlich werden.
  • 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der CNT-Anordnung, bei der zusätzlich zu dem ersten CNT-Block 110 und dem zweiten CNT-Block 120 zwei weitere CNT-Blöcke 151, 152 ausgebildet sind, die alle voneinander beabstandet sind. Gemäß dieser Ausführungsform wird der erste CNT-Block 110, der zweite CNT-Block 120 und die weiteren CNT-Blöcke 151, 152 über eine oder mehrere CNT-Brücken 130 miteinander verbunden. Auf diese Weise wird es beispielsweise möglich, dass die Sensorgröße (Kräfte, Beschleunigungen, Deformierungen, Strömungen, Einstrahlungen etc.) in verschiedenen Richtungen parallel zur Substratoberfläche 102 gemessen werden können.
  • Es versteht sich, dass auch bei dieser Ausführungsform mehrere Brücken übereinander oder untereinander angeordnet sein können oder dass weitere CNT-Brücken nur zwischen zwei oder drei der vielen CNT-Blöcke 110, 120, 151, 152 ausgebildet sein können.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen umfassen die CNT-Blöcke 110, 120 keinen rechteckförmigen Querschnitt in der horizontalen Ebenen (senkrecht zur Wachstumsrichtung). Der Querschnitt kann eine beliebige Form haben (z. B. rund, dreiecksförmig, trapezförmige). Auf diese Weise wäre es möglich, dass nicht nur zwei oder vier CNT-Blöcke auf der Substratoberfläche 102 angeordnet werden, sondern dass eine beliebige Anzahl (z.B. als Ring) verteilt angeordnet werden, die dann alle oder ein Teil davon über eine oder mehrere CNT-Brücken 130 miteinander verbunden werden. Jede CNT-Block kann einzeln elektrisch kontaktiert werden, um z.B. richtungsabhängig Sensorgrößen zu erfassen.
  • 6 zeigt ein vereinfachtes Flussdiagramm für ein Verfahren zur Herstellung einer Anordnung von Kohlenstoffnanoröhren, CNT. Das Verfahren umfasst:
    • - Bereitstellen S100 eines Substrats 100 mit einer Substratoberfläche 102;
    • - Ausbilden S110 eines ersten CNT-Blocks 110 auf der Substratoberfläche 102;
    • - Ausbilden S120 eines zweien CNT-Blocks 120 auf der Substratoberfläche 102, wobei der erste CNT-Block 110 und der zweiten CNT-Block 120 in einem Abstand voneinander ausgebildet werden; und
    • - Ausbilden S130 einer CNT-Brücke 130, die den ersten CNT-Block 110 mit dem zweiten CNT-Block 120 verbindet.
  • Die CNT der CNT-Brücke 130 werden in einer gleichen Richtung ausgerichtet wie die CNT des ersten CNT-Blocks 110 oder des zweiten CNT-Blocks 120. Das Ausbilden der CNT kann beispielsweise einen Wachstumsprozess umfassen, wobei die Wachstumsrichtung eine axiale Richtung der Kohlenstoffröhren sind. Diese Wachstumsrichtung kann die Richtung sein, entlang derer die CNT ausgerichtet sind.
  • Das Verfahren kann weiter ein Ausbilden einer Haftminderungsschicht 105 in einem Bereich auf der Substratoberfläche 102 umfassen, wo lateral sich die CNT-Brücke 130 befinden soll (liegt unterhalb der Brücke).
  • Weitere optionale Verfahrensschritte umfassen:
    • - Ätzen der Brückenanordnung (trocken oder nass)
    • - Passivieren der Brückenanordnung.
    • - Schrumpfen der Brückenanordnung (z.B. unter Einwirkung von Aceton).
  • Beispielsweise kann eine fertiggestellte CNT-Brücke mit einem O2-Plasma geätzt und gedünnt werden. Somit sind dünnere CNT-Verbindungen möglich. Weiterhin kann mit Aceton eine Spitze der CNT Anordnung geschrumpft werden (z.B. kann damit die Höhe der CNT-Blöcke 110, 120 angepasst werden). Die Fußpunkte können dabei fest auch dem Substrat 100 bleiben. Somit erzielt man dichtere CNT-Verbindungen. Anwendungsabhängig kann auch die Dichte der CNT-Verbindungen nach Fertigstellung variiert werden.
  • Es versteht sich, dass das Verfahren weitere optionale Schritte umfassen kann, so dass alle zuvor beschriebenen CNT Anordnungen gemäß Ausführungsbeispielen hergestellt werden können. Außerdem versteht es sich, dass die Reihenfolge der Nennung nicht notwendigerweise eine Reihenfolge bei der Ausführung der Verfahrensschritte bedingt. Die Verfahrensschritte können auch in einer anderen Reihenfolge oder auch parallel oder in einem Verfahrensschritt ausgeführt werden. Es braucht auch nur ein Teil der Verfahrensschritte ausgeführt werden.
  • Die Haftminderungsschicht 105 kann beispielsweise durch eine strukturierte dünne Metallschicht (wie. z.B. Tantal) gebildet werden, wobei die Strukturierung beispielsweise mittels optischer Lithographie ausgeführt werden kann. Zur Beeinflussung der Haftung beim Wachstum der CNT und einer Wachstumsrate kann beispielsweise eine Dicke, Breite und die Art der Haftminderungsschicht 105 geändert werden. Die Kombination von Haftminderung mit einer geringer Wachstumsrate führt dazu, dass dieser Bereich lokal bei der Herstellung abhebt und die CNT-Brücke 130 zwischen den vertikalen CNT-Blöcken 110, 120 gebildet wird.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen können weitere Metallschichten genutzt werden, um komplett das Wachstum zu blockieren (siehe z.B. Strukturierung in der 4). Damit können lokal begrenzte vertikale Wände zwischen den vertikalen CNT-Blöcken 110, 120 gebildet werden, die dann die CNT-Brücken 130, 135 bzw. die Querverbindung 137 bilden. Gemäß diesem oder weiteren Ausführungsbeispielen ist auch die Herstellung weiterer kombinierter Strukturen möglich. Für solche Brückenstrukturen kann beispielsweise eine Streifenmaske genutzt werden. Auf diese Weise können auch 3-dimensional Brückenstrukturen gefertigt werden. Aufgrund der einfachen optischen Strukturierung der Metallisierungen kann der Herstellungsprozess einfach und günstig variiert werden, um Sensoren für verschiedenste Anwendungen herzustellen.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen können prozessspezifisch auch der Durchmesser der CNT angepasst werden (z.B. von 1 bis 20 nm oder von 2 bis 8 nm). Ebenso kann die Länge der CNT angepasst werden (z.B. von 1 µm bis 3 mm oder von 10 µm bis 1500 µm). Dies kann durch eine Anpassung der Wachstumszeit im Herstellungsprozess eingestellt werden. Die Höhe der CNT-Blöcke 110, 120 ist somit auch flexibel anpassbar.
  • Wesentliche vorteilhafte Aspekte von Ausführungsbeispielen können wie folgt zusammengefasst werden:
    • Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine einfache elektrische Kontaktierung (Mikro-Nanointegration) von CNT-Sensorelementen mit Brücken und/oder dünnen Wände.
    • Ausführungsbeispiele erlauben eine einfache Anpassung der elektrischen, optischen und mechanischen Eigenschaften für die Sensorelemente (der CNT-Anordnung). Die Biegeeigenschaften (wie E-Modul und Biegeelastizität), thermische Leitfähigkeit, Absorptionsrate und der elektrische Widerstand der Anordnung können für eine gewünschte Anwendung flexibel eingestellt werden. Das Elastizitätsmodul kann beispielsweise kleiner als 400 kPa oder kleiner als 200 kPa sein. Diese Größen sind beispielsweise die Dichte, Dicke, Höhe und Länge der CNT-Blöcke 110, 120 bzw. der CNT-Verbindung/Brücke(n) 130, die in einem weiten Bereich einstellbar sind.
  • Die CNT-Anordnung kann bei Komprimierung oder Temperaturänderung in Abhängigkeit der gewählten Geometrie den (elektrischen) Widerstand stark ändern. Somit liegt ein integrierter Widerstandsensor mit einer großer Sensorantwort vor. Abhängig von der Geometrie des Sensorelementes kann die Sensorantwort auch individuell angepasst werden.
  • Ausführungsbeispiele erlauben weiterhin, dass eine Herstellung der CNT-Anordnung in einem großen Maßstab erfolgen kann. Es versteht sich, dass die vollständige 3D CNT-Anordnung die elektrischen Eigenschaften individueller CNT mittelt. Durch die große Anzahl der CNT (mehrere Millionen pro mm2) entsteht eine hohe Redundanz. Dadurch wird insbesondere die Fabrikation von Sensoren mit ähnlichen Eigenschaften deutlich erleichtert. Ihre einfache Herstellung kombiniert mit der zusätzlichen Möglichkeit der weiteren (chemischen) Funktionalisierung bieten weitere große Vorteile. Hierzu zählen zum Beispiel:
    • - Die Realisierung von Sensoren mit einer extrem kleinen Ortsauflösungen zur elektrischen, optischen und/oder mechanischen Charakterisierung kleinster Objekte wie biologische Zellen.
    • - Vielfältige bildgebende Anwendungen mit Mikro-, Millimeter-, THz-Wellen und optischen Signalen (z.B. Infrarotlicht) werden möglich.
    • - Zusammen mit kleinen Reaktionszeiten sind sie auch vielversprechend für Sicherheits-, Gesundheits- und Industrieanwendungen.
    • - Die Nutzung direkter optischer Lithographie-Prozesse und das CNT-Wachstum ermöglichen eine einfache und günstige Herstellung.
    • - Da die CNT sehr gute Schwarzkörper darstellten, wird eine breitbandige Absorption vieler Frequenzen erreicht.
    • - Es ist ein kleines E-Modul (<200 kPa) möglich, sodass eine einfache Auslenkung nutzbar ist. Das E-Modul kann auch für verschiedene Anwendungen angepasst werden.
    • - Es ist ein Federelement ohne Masse möglich (masselose Verbiegung).
    • - Kleine Sensorabmessungen (Kantenlänge <2 µm) und somit höchste örtliche Auflösung sind möglich. So kann beispielsweise eine Auflösung im Mikrometerbereich erreicht werden. Diese Auflösung kann einerseits hinsichtlich von vertikalen Kräften oder Deformationen erzielt werden, als auch im Hinblick auf Scherkräfte, die parallel zur Substratoberfläche 102 wirken.
    • - Ausführungsbeispiele sind sehr sensitiv auf Verbiegungen.
    • - Die vertikale Ausrichtung der Blöcke 110, 120 ermöglicht eine stabile elektrische Kontaktierung und Stabilisierung der Anordnung.
    • - Die Sensorelemente können bei Komprimierung oder Temperaturänderung den Widerstand stark ändern und haben eine große Sensorempfindlichkeit.
    • - Direkte optische Lithographie Prozesse und daran anschließendes CNT-Wachstum ermöglichen eine einfache und günstige Herstellung.
    • - Ausführungsbeispiele haben kleinste Reaktionszeiten (z.B. < 5 ms oder <1 ms).
    • - Die Brückenanordnung hat eine hohe thermische Stabilität. Anwendungen bei Temperaturen jenseits von 200°C sind möglich.
  • Aufgrund der oben genannten Vorteile können Ausführungsbeispiele vorteilhaft für die folgenden Anwendungen eingesetzt werden:
    • - Eine Leistungsmessung von elektromagnetischen Wellen kann durchgeführt werden (Bolometer). Insbesondere können miniaturisierter Mikrobolometer und Kraftsensoren zur hochauflösenden Charakterisierung kleinster Objekte wie biologische Zellen realisiert werden.
    • - Die Leistung eines Lasers oder einer Terahertz-Strahlung kann sehr sensitiv erfasst werden (insbesondere auf kleinsten Raum).
    • - Als mechanische Sensoren können Kräfte (zum Beispiel Scherkräfte, aber auch Beschleunigungen oder Strömungen) gemessen werden.
    • - Strömungsgeschwindigkeiten von Gasen oder Flüssigkeiten können gemessen werden. Auf diese Weise kann auch die Menge an durchgeströmter Flüssigkeit zuverlässig ermittelt werden.
  • Die hohe örtliche Auflösung (im µm-Bereich) verbunden mit der hohen Empfindlichkeit bei einer Verformung ermöglichen Anwendungen in der Sensorik, wobei beispielsweise die folgende Größen sensiert werden können: Leistungen der Mikro-, Millimeter-, THz-Wellen und optischen Signalen (Bolometer), Kraft, Beschleunigung, Winkelgeschwindigkeit, Druck, Taktil, Vibration, Strömung (Gas, Flüssigkeit).
  • Die kleinen Reaktionszeiten und das Potenzial für die Herstellung in großem Maßstab machen das neue Bauelement auch vielversprechend für Sicherheits-, Gesundheits- und Industrieanwendungen.
  • Die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
  • BEZUGSZEICHENLISTE
    • 100
    Substrat
    105
    Haftminderungsschicht
    110
    erster CNT-Block
    115
    erste Kontaktschicht
    117
    erste Verbreiterung des ersten CNT-Blocks
    120
    zweiter CNT-Block
    125
    zweite Kontaktschicht
    127
    zweite Verbreiterung des zweiten CNT-Blocks
    130
    CNT-Brücke
    135
    zumindest eine weitere CNT-Brücke
    137
    eine Querverbindung
    151, 152
    weitere CNT-Blöcke
    200
    Auswerteeinheit
    D
    Dicke CNT-Brücke
    B
    Breite CNT-Brücke
    H
    Abstand der CNT-Brücke vom Substrat (Höhe)

Claims (14)

  1. Anordnung von Kohlenstoffnanoröhren, CNT, die Folgendes umfasst: ein Substrat (100); einen ersten CNT-Block (110), der von dem Substrat (100) aufragt; einen zweiten CNT-Block (120), der von dem Substrat (100) aufragt, wobei der erste CNT-Block (110) und der zweiten CNT-Block (120) voneinander beabstandet sind; und eine CNT-Verbindung (130), die den ersten CNT-Block (110) mit dem zweiten CNT-Block (120) verbindet, wobei die CNT der CNT-Verbindung (130) in einer gleichen Richtung ausgerichtet sind wie die CNT des ersten CNT-Blocks (110) oder des zweiten CNT-Blocks (120).
  2. Anordnung nach Anspruch 1, wobei die CNT-Verbindung (130) als eine CNT-Brücke oder als eine CNT-Wand ausgebildet ist.
  3. Anordnung nach Anspruch 2, die weiter Folgendes aufweist: eine Haftminderungsschicht (105) in einem Bereich auf dem Substrat (100), der sich unterhalb der CNT-Brücke (130) befindet.
  4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die CNT-Verbindung (130) zumindest eine der folgenden Eigenschaften aufweist: - eine vorbestimmte Dicke (D), - eine vorbestimmte Breite (B), - in einem vorbestimmtem Abstand (H) über dem Substrat (100) gebildet ist.
  5. Anordnung nach Anspruch 4, wobei die Dicke (D) oder die Breite (B) oder der Abstand (H) sich entlang der Verbindung zwischen dem ersten CNT-Block (110) und dem zweiten CNT-Block (120) in einer vorbestimmten Weise ändert.
  6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die zumindest eine der folgenden elektrischen Kontaktierungen des ersten CNT-Blocks (110) und des zweite CNT-Blocks (120) aufweist: eine erste Kontaktschicht (115) zur Kontaktierung des ersten CNT-Blocks (110), wobei die erste Kontaktschicht (115) neben oder teilweise unterhalb des ersten CNT-Blocks (110) auf dem Substrat (100) gebildet ist und ein Metall aufweist, eine zweite Kontaktschicht (125) zur Kontaktierung des zweiten CNT-Blocks (120), wobei die zweite Kontaktschicht (125) neben oder teilweise unterhalb des zweiten CNT-Blocks (120) auf dem Substrat (100) gebildet ist und ein Metall aufweist, eine erste Verbreiterung (117) des ersten CNT-Blocks (110) an einer dem Substrat (100) zugewandten Seite, eine zweite Verbreiterung (127) des zweiten CNT-Blocks (120) an einer dem Substrat (100) zugewandten Seite.
  7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, die zumindest eine weitere CNT-Verbindung (135) aufweist, wobei die zumindest eine weitere CNT-Verbindung (135) den ersten CNT-Block (110) mit dem zweiten CNT-Block (120) verbindet und die CNT der weiteren CNT-Verbindung (135) in einer gleichen Richtung ausgerichtet sind wie die CNT des ersten CNT-Blocks (110) oder des zweiten CNT-Blocks (120).
  8. Anordnung nach Anspruch 7, wobei die ersten CNT-Verbindung (130) mit der zumindest einen weiteren CNT-Verbindung (135) durch eine Querverbindung (137) aus CNT verbunden sind.
  9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, die außerdem Folgendes aufweist: zumindest einen weiteren CNT-Block (151, 152), der von dem Substrat (100) aufragt, wobei die CNT-Verbindung (130) oder die zumindest eine weitere CNT-Verbindung (135) den ersten CNT-Block (110), den zweiten CNT-Block (120) und den zumindest einen weiteren CNT-Block (151, 152) verbindet.
  10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, die eine Beschichtung auf zumindest eine der folgenden Komponenten aufweist: - die CNT-Verbindung (130), - die zumindest eine weitere CNT-Verbindung (135), - den ersten CNT-Block (110), - den zweiten CNT-Block (120), wobei die Beschichtung ausgebildet ist, um zumindest einen der folgenden Effekte zu verstärken oder zu bewirken: einen thermoresistiven Effekt, einen pyroelektrischen Effekt, einen thermochromen Effekt, einen piezoelektrischen Effekt.
  11. Sensor mit: einer Anordnung von Kohlenstoffröhren, CNT, nach einem der Ansprüche 1 bis 10; und einer Auswerteeinheit (200), die ausgebildet ist, um elektrische Kenndaten der Anordnung zu bestimmen und, basierend darauf, zumindest eine der folgenden Messungen mit der Anordnung auszuführen: - eine Leistungsmessung von elektromagnetischen Wellen, - eine Kraftmessung, - eine Beschleunigungsmessung, - eine Strömungsmessung.
  12. Verwendung der Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 für zumindest eine der folgenden Anwendungen: - als Bolometer, - als Leistungsmesser für THz Signalen, - als Kraftmesser, - als Beschleunigungsmesser.
  13. Verfahren zum Herstellen einer Anordnung von Kohlenstoffnanoröhren, CNT, das Verfahren umfasst: Bereitstellen (S100) eines Substrats (100) mit einer Substratoberfläche (102); Ausbilden (S110) eines ersten CNT-Blocks (110) auf der Substratoberfläche (102); Ausbilden (S120) eines zweien CNT-Blocks (120) auf der Substratoberfläche (102), wobei der erste CNT-Block (110) und der zweiten CNT-Block (120) in einem Abstand voneinander ausgebildet werden; und Ausbilden (S130) einer CNT-Verbindung (130), die den ersten CNT-Block (110) mit dem zweiten CNT-Block (120) verbindet, wobei die CNT der CNT-Verbindung (130) in einer gleichen Richtung ausgerichtet werden wie die CNT des ersten CNT-Blocks (110) oder des zweiten CNT-Blocks (120).
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die CNT-Verbindung (130) eine CNT-Brücke (130) ist und der Schritt des Bereitstellen des Substrats (100) ein Ausbilden eine Haftminderungsschicht (105) in einem Bereich auf der Substratoberfläche (102) umfasst, wobei der Bereich eine laterale Position der CNT-Brücke (130) ist.
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DE102014018878B3 (de) 2014-12-17 2015-10-22 Technische Universität Darmstadt Federsensorelement
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Non-Patent Citations (1)

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Title
YILMAZOGLU, O. [et al.]: A nano-microstructured artificial-hair-cell-type sensor based on topologically graded 3D carbon nanotube bundles. In: Nanotechnology, Vol. 27, 2016, S. 365502 (10pp). – ISSN 0957-4484

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