Kurzfassung
Nanotechnologie hat in den letzten Jahrzehnten die Bereiche Elektronik, Energie und Gesundheitswesen revolutioniert und unsere Lebensqualität erheblich verbessert. Die Atomlagenverarbeitung (ALP), die sowohl die Atomlagenabscheidung (ALD) als auch das Atomlagenätzen (ALE) umfasst, ermöglicht die präzise Manipulation von Materialabscheidung und -ätzen auf atomarer Ebene und treibt so die Weiterentwicklung der Nanotechnologie und deren Anwendungen voran. Diese Dissertation konzentriert sich auf die Untersuchung von verschiedenen Aspekten der ALP und erforscht deren Anwendungen. Zunächst wurde eine
ALD-basierte Methode zur Synthese von VO2 entwickelt, die eine Kombination aus einem ALD-Prozess von nicht-stöchiometrischen Vanadiumoxid (VOx) und einem maßgeschneiderten Temperverfahren umfasst. Das ALD-basierte VO2, das durch seine Phasenübergangseigenschaften von einem Isolator zu einem Metall gekennzeichnet ist, wurde auf zwei- und dreidimensionalen Geräteanwendungen angewendet, um dessen Potenzial sowohl aus elektrischer als auch aus optischer Perspektive zu untersuchen. Elektrisch zeigten ALD-basierte VO2 Dünnschicht-Memristoren und Si-Al2O3/VO2 Kern/Schale-Memristoren hervorragende Schalteigenschaften und eine hohe Empfindlichkeit gegenüber Umgebungstemperaturschwankungen auf. Optisch wurden dreidimensionale inverse opaline photonische Kristalle unter Verwendung von ALD-basierter VO2-Synthese sowie Polystyrol-Opal-Opfermaterialien hergestellt. Diese photonischen Kristalle zeigten eine bemerkenswerte Kontrolle über das photonische Stoppband im nahen Infrarotbereich (NIR), das durch Veränderung der Außentemperatur reversibel geschaltet werden kann. Sie wiesen zudem auch einen temperaturabhängigen Übergang von einem schmalbandigen NIR-Reflektor zu einem Breitbandabsorber auf. Darüber hinaus wurde ein neuartiger thermoelektrischer positionssensitiver Detektor (T-PSD) zusammen mit einer entsprechenden Dekodierungsstrategie vorgeschlagen. Diese Innovation ermöglicht die Erkennung einzelner thermischer Hotspots, die aus verschiedenen Energiequellen stammen können, einschließlich elektromagnetischer Strahlung, Elektronen und makroskopischer mechanischer Wärmequellen. Schließlich wurde ein gerichteter ALE-Prozess zum Ätzen von SiO2 unter Verwendung von SF6-Gas und Ar-Plasma nahe Raumtemperatur entwickelt. Dieser Prozess erreichte eine 100%ige Synergie und eine stabile Ätzrate von etwa 1,4 Å pro Zyklus. Die hier aufgezeigten Studien haben bereits ein signifikantes praktisches Potenzial gezeigt und könnten zur weiteren Entwicklung von ALP-bezogenen Nanotechnologien und Anwendungen beitragen. Darüber hinaus könnten die Ergebnisse wertvolle Einblicke in die zugrunde liegenden physikalischen, materialwissenschaftlichen und ingenieurtechnischen Prinzipien bieten
Nanotechnology has revolutionized electronics, energy, and healthcare over the past few decades, significantly enhancing our daily lives. Atomic layer processing (ALP), which includes atomic layer deposition (ALD) and atomic layer etching (ALE), enables precise manipulation of material deposition and etching at the atomic level, further driving the advancement of nanotechnology and its associated applications. This dissertation focuses on the study some aspects of ALP, encompassing both ALD and ALE, and explores its applications. Firstly, an ALD-assisted method for synthesizing VO2 was developed through a combination of a non-stoichiometric vanadium oxide (VOx) ALD process and a tailor-made annealing process. The ALD-assisted VO2, characterized by its insulator-to-metal transition properties, was extended to two-dimensional and three-dimensional device applications to investigate its potential from both electrical and optical perspectives. Electrically, thin-film memristors and Si-Al2O3/VO2 core/shell memristors based on ALD-assisted VO2 demonstrated excellent switching performance and high sensitivity to temperature variations. Optically, three-dimensional inverse opal photonic crystals based on VO2 were prepared using ALD-assisted VO2 synthesis with polystyrene opal sacrificial templates. These photonic crystals displayed remarkable control over the photonic bandgap in the near-infrared (NIR) region, which can be reversibly switched by adjusting the external temperature. They also exhibited a temperature-dependent transition from a narrow-band NIR reflector to a broadband absorber. In addition, a novel thermoelectric-based position-sensitive detector (T-PSD) was proposed, along with a corresponding decoding strategy. This innovation has been proven effective for detecting single hot spots originating from various energy sources, including electromagnetic radiation, electrons, and macroscopic mechanical heat. Finally, a directional ALE process was developed for etching SiO2 using SF6 gas and Ar plasma near room temperature. This process achieved 100% synergy and a stable etching rate of approximately 1.4 Å per cycle. These studies have already demonstrated significant practical potential and may contribute to the further development of ALP-related nanotechnologies and applications. Additionally, the findings may provide deeper insights in turns into the underlying physics, materials science, and engineering principles involved.