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Kerstin Franziska Wätje

• Zinkoxid ist eine als II-VI-Halbleiter eingehend untersuchte Verbindung mit umfangreichen Einsatzgebieten. Eine hervorstechende Eigenschaft dieses Materials ist seine hohe Piezoelektrizität, auch in polykristalliner Form, welche es als Alternative zu gängigen einkristallinen Komponenten auszeichnet. Neben dem Einsatz als Oberflächenwellenfilter liegt ein potenzielles Anwendungsgebiet solcher piezoelektrisch aktiver Schichten in der ansonsten technisch problematischen Aktuation kleinster Flüssigkeitsmengen mittels gerichteter Oberflächenwellen; dies stellt eine Schlüsseltechnologie für sogenannte "Lab-on-a-Chip-Devices" dar, integrierte Laborschaltungen, welche in zunehmendem Maße komplexe Analysevorgänge mit Volumina bis unterhalb des Mikroliterbereiches vor Ort ermöglichen sollen. Ein Teilaspekt solcher Techniken besteht in der Durchmischung zu analysierender Flüssigkeiten. Die erfolgreiche Implementation eines solchen Mischerchips auf Basis von Zinkoxid ist das Thema dieserZinkoxid ist eine als II-VI-Halbleiter eingehend untersuchte Verbindung mit umfangreichen Einsatzgebieten. Eine hervorstechende Eigenschaft dieses Materials ist seine hohe Piezoelektrizität, auch in polykristalliner Form, welche es als Alternative zu gängigen einkristallinen Komponenten auszeichnet. Neben dem Einsatz als Oberflächenwellenfilter liegt ein potenzielles Anwendungsgebiet solcher piezoelektrisch aktiver Schichten in der ansonsten technisch problematischen Aktuation kleinster Flüssigkeitsmengen mittels gerichteter Oberflächenwellen; dies stellt eine Schlüsseltechnologie für sogenannte "Lab-on-a-Chip-Devices" dar, integrierte Laborschaltungen, welche in zunehmendem Maße komplexe Analysevorgänge mit Volumina bis unterhalb des Mikroliterbereiches vor Ort ermöglichen sollen. Ein Teilaspekt solcher Techniken besteht in der Durchmischung zu analysierender Flüssigkeiten. Die erfolgreiche Implementation eines solchen Mischerchips auf Basis von Zinkoxid ist das Thema dieser Dissertation. Die vorliegende Arbeit dokumentiert zunächst umfangreiche Untersuchungen und deren physikalische Interpretation zur Herstellung piezoelektrischer Zinkoxidschichten mittels des Radiofrequenz-Sputterprozesses. Neben einer Diskussion der Vorgänge im Plasma und der relevanten Parameter für den Depositionsvorgang wird besonderes Augenmerk auf die Verbindung von Schichteigenschaften und der Eignung als piezoelektrischer Agitator gelegt. Hierbei zeigt sich, dass zur Erreichung einer guten Schichtqualität erhöhte Ansprüche an die Prozesssauberkeit gelten, um eine elektronisch nachteilhafte Dotierung der Schichten zu vermeiden. Ebenso kann nachgewiesen werden, dass aufgrund der bekannten Tendenz von Sputterprozessen zur Reduktion oxidischer Materialien eine inhärente Unterstöchiometrie der Schichten auftritt; dem kann durch Einführung einer reaktiven Prozesskomponente erfolgreich entgegengewirkt werden, welche ebenfalls ein signifikant kompakteres und glatteres Schichtwachstum zur Folge hat. Dies wird anhand von elektronenmikroskopischen, strukturellen und chemischen Charakterisierungsverfahren belegt. Der zweite Teil der Forschungen diskutiert die Leistungsfähigkeit der deponierten Schichten als Mischerelement bis hin zum kommerziellen Prototyp. Dies beinhaltet insbesondere die Auswirkungen einer polykristallinen Struktur auf die Ausbreitung generierter Oberflächenwellen. Neben der Auswahl eines geeigneten Designs für die erforderlichen Interdigitaltransducer (IDTs) kann gezeigt werden, dass sich mittels Anpassung von Schichtdicke, -rauigkeit und Auswahl des Substratmaterials eine Einstellbarkeit der piezoelektrischen Eigenschaften wie Ausbreitungsgeschwindigkeit, Kopplungskoeffizient sowie eine breite Anregungsfrequenz erzielen lassen. Der Einfluss der Rauigkeit und der polykristallinen Struktur auf das Ausbreiten der Oberflächenwelle konnten hier experimentell beobachtet werden; dies liefert eine wertvolle Referenz zu bisher nur theoretisch existierenden Modellierungen. Weiterhin wird nachgewiesen, dass die Polykristallinität der Schicht aufgrund von Streuvorgängen für die Erzeugung komplexer, zeitlich variabler Durchmischungsmuster vorteilhaft ist, welche sonst auf einkristallinen Substraten nur über aufwändige Chipgeometrie und Steuersysteme realisiert werden kann. Schliesslich wird anhand eines Mischer-Prototyps im kommerziellen System der Nachweis der Funktionstüchtigkeit ZnO-basierter Mikrofluidik erbracht und mithilfe einer Mischquantifizierung im Hybridisierungsprozess dokumentiert.…
• Zinc oxide is a known type II-VI semiconductor with widespread potential. One of the material's key properties is its high piezoelectricity in polycrystalline form, qualifying it as an alternative to common single crystalline materials. Aside from surface acoustic wave (SAW) filtering applications, such piezoelectric thin layers can be used to efficiently agitate fluids via directed energy transfer. SAW are thus a key component for lab-on-a-chip devices which might once allow for in situ analysis of smallest amounts of material. One of the aims of the present study is the implementation of a microfluidic mixing apparatus based on thin zinc oxide films. The present work begins with the characterization of a radio frequency sputtering process for zinc oxide deposition. Relevant deposition and plasma parameters are discussed and linked to the structural, chemical and electric layer properties. An emphasis is placed upon the application for piezoelectric agitation. It is demonstrated thatZinc oxide is a known type II-VI semiconductor with widespread potential. One of the material's key properties is its high piezoelectricity in polycrystalline form, qualifying it as an alternative to common single crystalline materials. Aside from surface acoustic wave (SAW) filtering applications, such piezoelectric thin layers can be used to efficiently agitate fluids via directed energy transfer. SAW are thus a key component for lab-on-a-chip devices which might once allow for in situ analysis of smallest amounts of material. One of the aims of the present study is the implementation of a microfluidic mixing apparatus based on thin zinc oxide films. The present work begins with the characterization of a radio frequency sputtering process for zinc oxide deposition. Relevant deposition and plasma parameters are discussed and linked to the structural, chemical and electric layer properties. An emphasis is placed upon the application for piezoelectric agitation. It is demonstrated that a very clean deposition environment is quintessential to avoid undesired doping of the layers. Further investigations reveal that a reactive deposition component is necessary to obtain dense and smooth films as shown by electron microscopy and chemical analysis. The second part of the studies describes techniques necessary to fashion deposited layers into a demonstrator-level device for acoustic mixing. This includes the effects of a polycrystalline piezoelectric structure onto SAW propagation. Together with the selection of an appropriate transducer design, an adaption of layer thickness, roughness and choice of substrate allows for control of the piezoelectric properties as well as excitation frequency. The experimental results found in these experiments also provide a valuable reference to theoretical models. The chaotic mixing modes found in the presented devices prove to be an efficient mixer without the necessity for multiple agitation sources and complex control circuitry. This mixing efficiency is also quantified in first experiments for a hybridization process.…