Dissertation: 2D materials for piezoresistive strain gauges and membrane based nanoelectromechanical systems

10.01.2019
  Freitragendes 2D Materialien, Ramantomography und elektrische Charakterisierung Urheberrecht: Stefan Wagner

Stefan Wagner hat seine Dissertation veröffentlicht in der das Potential von Graphen und Platindiselenid als Material für nanoelektromechanische Sensoren erforscht wurde. Die Arbeit wurde kürzlich in über die RWTH Aachen Bibliothek veröffentlicht.

In dieser Arbeit wurde Graphen als intensiv untersuchtes Material und das fast noch unbekannte Platindiselenid wegen deren inhärente Eigenschaften als 2D Material ausgesucht. Dehnungssensoren wurden aus beiden Materialien gefertigt, mittels eines Biegebalkenaufbaus gemessen und mit einem kommerziellen metallischen Dehnmessstreifen verglichen. Für Graphen wurde ein Dehnungsfaktor von 1.4--1.7 und für Platindiselenid -84.8 bestimmt. Diese Ergebnisse dienten als Basis für die Herstellung von piezoresistiven NEMS Drucksensoren, wobei Graphen und Platindiselenid sowohl als Membranenmaterial dienen, als auch als direkter Auslesemechanismus verwendet werden. Große Bauelementsubstrate mit Sacklöchern werden hergestellt, fünf Transfermethoden wurden entwickelt, um freitragende 2D Materialien herzustellen und die Ausbeute der intakten Membranen wurden verglichen. Ramantomographie wurde als neue Charakterisierungsmethode auf Basis von Ramanspektrometrie entwickelt, um freitragende Graphen und Platindiselenid Membranen zu untersuchen. Darauf basierend wurden zum ersten Mal 3D Ramantomographiebilder von diesen nanoelektronischen Bauelementen aufgenommen. Elektrische Messungen wurden in-situ an diesen Bauelementen in einer selbstgebauten Druckkammer durchgeführt. Die Graphensensoren erreichen eine 20-100 mal höhere Sensitivität im Vergleich zu anderen NEMS Drucksensoren. Für Drucksensoren mit Platindiselenid als Membranmaterial wurde die hohe Sensitivität von Graphen noch um mehrere Größenordnung übertroffen. Diese Ergebnisse legen ein sehr großes Potential für zukünftige Miniaturisierung von Sensoren und die Entwicklung von anderen NEMS Anwendungen auf Basis von 2D Materialien nahe.

Die Forschungsarbeite wurden gefördert von M-ERANET/Deutsche Ministerium für Bildung und Forschung (BMBF, NanoGraM, 03XP0006) und von der europäischen Kommision unter dem Projekt Graphen Flagship (785219).