- GND
- 1245584634
- GND
- 1150723521
- LSF ID
- 1998
- ORCID
-
0000-0001-8006-8598
- Sonstiges
- der Hochschule zugeordnete*r Autor*in
Abstract in Deutsch:
In dieser Dissertation werden freistehende ALD-Mikrostrukturen zur Oberflächenmodifikation entwickelt und bezüglich der hydrophoben Eigenschaften zur Steuerung der Benetzung untersucht. Die Benetzung von Oberflächen ist abhängig vom gewählten System, welches in dieser Arbeit aus einer PBS-Lösung in Luftumgebung auf einer Festkörperoberfläche besteht. Hierbei wird die Benetzbarkeit einer Oberfläche durch die Mikrostrukturierung beeinflusst und zur Erhöhung der Hydrophobie eingesetzt. In Kombination mit der elektrischen Steuerung der Benetzung ist es möglich ein breites Spektrum der Kontaktwinkeländerung von hydrophil bis super-hydrophob abzudecken. Beim sogenannten Electrowetting lässt sich die Grenzflächenenergie zwischen einer festen und flüssigen Phase durch ein elektrisches Feld modifizieren und damit verbunden die Tropfenkontur und der Kontaktwinkel am Tripelpunkt fest-flüssig-gasförmig ändern. Im Kern dieser Arbeit wird die Modellentwicklung, die Herstellung und die anschließende Charakterisierung von mikrostrukturierten Chips für das Electrowetting durchgeführt. Mikrostrukturen aus leitfähigen Schichten, welche mit Passivierungsoxiden eingekapselt werden, bieten eine Möglichkeit der Benetzungssteuerung. In Kombination mit der Opferschichttechnologie lassen sich so freistehende Mikrostrukturen herstellen, welche elektrisch kontaktierbar sind. Die für das Electrowetting notwendige elektrische Spannung ist neben dem Kontaktwinkel unter anderem abhängig von der Permittivität und der Schichtdicke des Passivierungsoxids. Durch die Atomlagenabscheidung ist es möglich sehr dünne Schichten im nm-Bereich abzuscheiden und dadurch die notwendige elektrische Spannung beim Electrowetting zu reduzieren. Die hergestellten Chips werden mit Hilfe eines Messplatzes zur Bestimmung der Tropfenkontur und des Kontaktwinkels charakterisiert. In diesem Zusammenhang konnte gezeigt werden, dass die analytisch berechneten Werte der Kontaktwinkel in guter Übereinstimmung mit den experimentellen Werten sind und es zeigte sich eine Abhängigkeit der Hydrophobie von der Dichte der Mikrostrukturen. Mit abnehmender Dichte der Mikrostrukturen steigt der Kontaktwinkel bis zu einem kritischen Winkel an, wobei bei noch größeren Abständen zwischen den Mikrostrukturen der Kontaktwinkel wieder abnimmt. Des Weiteren wurde die Kontaktwinkelhysterese unter variierter Dichte an Mikrostrukturen untersucht, wobei sich eine gute Übereinstimmung mit der Literatur zeigt. Durch die Abscheidung einer zusätzlichen hydrophoben Beschichtung konnte der Kontaktwinkel dieser mikrostrukturierten Oberfläche noch weiter erhöht werden. Außerdem wurde Silikon-Öl als zusätzliches Gleitmittel auf der Oberfläche genutzt, wodurch zwar die Kontaktwinkelhysterese abnahm, jedoch auch der statische Kontaktwinkel sank. Zur Evaluierung der elektrischen Steuerbarkeit der Benetzung wurden die finalen Chips sowohl elektrisch als auch optisch charakterisiert. Für die experimentelle Evaluierung wurden neben strukturierten Chips auch planare Chips charakterisiert. Hierzu wurden als erstes die elektrischen Eigenschaften der ALD-Mikrostrukturen charakterisiert und wiesen eine gute elektrische Isolierung durch die ALD-Oxide auf. Zudem wurde die Steuerung der Benetzung analysiert und die elektrische Verringerung des Kontaktwinkels durch ein angelegtes elektrisches Feld konnte hierbei sowohl simulativ als auch experimentell bestätigt werden.
Abstract in Englisch:
In this dissertation, free-standing ALD microstructures for surface modification are developed and investigated in terms of hydrophobic properties to control wetting. The wetting of surfaces depends on the chosen system, which in this work consists of a PBS solution in air environment on a solid surface. Here, the wettability of a surface is influenced by microstructuring and used to increase hydrophobicity. In combination with electrical control of wetting, it is possible to cover a wide range of contact angle changes from hydrophilic to super-hydrophobic. In so-called electrowetting, the interfacial energy between a solid and liquid phase can be modified by an electric field and, associated with this, the droplet contour and the contact angle at the solid-liquid-gas triple point can be changed. The core of this work is the model development, fabrication and subsequent characterization of microstructured chips for electrowetting. Microstructures of conductive layers encapsulated with passivation oxides provide a means of wetting control. In combination with sacrificial layer technology, free-standing microstructures can be produced which can be electrically contacted. The electrical voltage required for electrowetting depends not only on the contact angle but also, among other things, on the permittivity and the layer thickness of the passivation oxide. Atomic layer deposition makes it possible to deposit very thin layers in the nm range, thereby reducing the electrical voltage required for electrowetting. The chips produced are characterized with the aid of a measuring station to determine the drop conture and the contact angle. In this context it could be shown that the analytically calculated values of the contact angles are in accordance with the experimental values and a dependence of the hydrophobicity on the density of the microstructures was shown. As the density of the microstructures decreases, the contact angle increases up to a critical angle, where the contact angle decreases again at even greater distances between the microstructures. Furthermore, the contact angle hysteresis was investigated under varying density of microstructures, showing good agreement with the literature. By depositing an additional hydrophobic coating, the contact angle of this microstructured surface could be further increased. Furthermore, silicone oil was used as an additional lubricant on the surface, which decreased the contact angle hysteresis, but also decreased the static contact angle. To evaluate the electrical controllability of wetting, the final chips were characterized both electrically and optically. For the experimental evaluation, planar chips were characterized in addition to structured chips. For this purpose, the electrical properties of the ALD microstructures were first characterized and showed good electrical insulation by the ALD oxides. In addition, the control of wetting was analyzed and the electrical reduction of the contact angle by an applied electric field could be confirmed here both simulatively and experimentally.