Silicon nanowires: Monolithic fabrication in thick silicon layers and nanomechanical testing

Günümüzde elektronik cihazlarda kullanılan elemanların sürekli küçülmeye gitme eğiliminin sonucu olarak küçük boyutlardaki malzemelerin fiziksel özelikleri merak edilmeye başlanmıştır. Malzemelerin küçük ölçekteki özellikleri- özellikle nanometre boyutlarında- büyük ölçekteki özelliklerinden son derece farklı olduğu gözlemlenmiştir. Bu farklılık nano ölçekte kendini göstermeye başlayan quantum kısıtlama etkisi ve yüksek yüzey alanı- hacim oranı etkisinden kaynaklanmaktadır. Nanotellerin elektonik ve elektromekanik alanlarında kullanılan aletlere küçülme ve performans arttırımı getirmesi umut edilirken bu küçük fonksiyonel birimlerin güvenilirlik ve dayanıklılık testlerinin yapılması gerekmektedir. Özellikle mekanik alanındaki güvenilirlik çalışmaları karşılaşılan bazı zorluklar sebebiyle literatürde çok az yer almaktadır. Bu zorluklar tutarlı nanotel numune üretimi, numune manipulasyonu, numune-test düzeneği hizalaması ve nanotelin test düzeneğine tutturulması şeklinde özetlenebilir. Bu çalışmanın başlıca amacı tümden-gelim üretim yöntemi kullanılarak kalın bir silisyum tabakası ya da SOI alttaşının cihaz katmanı ile silisyum tel ile yekpare bir şekilde üretilmesidir. Bu yöntem ile nanotel boyut ve yönelim kontrolü, aynı zamanda da kalıcı olarak nanotelin yine silisyumdan yapılma tutanaklara yekpare olarak bağlanması sağlanmaktadır. Çalışmanın diğer bir amacı da önerilen üretim yöntemiyle üretilen nanotellerin yüksek çözünürlüklü test yöntemiyle mekanik bütünlük karakterizasyonu çalışmasını yapmaktır. Bu amaçla ilk olarak yüksek çözünürlüklü litografi, yönlü aşındırma, yanduvar etkisizleştirme ve derin- yönlü iyon aşındırma ile kontrollü dip oyuğu yöntemleri kullanılarak nanotel üretim teknolojisi geliştrildi. Üretimi tamamlanan nanotellerin ebatları genişlik olarak 20 nm ile 80 nm arasında, kalınlık ise 100 nm olarak ölçülmüştür. Üretilen nanoteller 10 mikrometre derinlik üzerinde havada salınmaktadır. Uzunluk olarak ise 200 nanometreden 12 mikrometreye kadar geniş bir aralık taranmıştır. Üretim yönteminin başarılı bir şekilde tamamlanmasını takiben, üretilen nanoteller üzerinde atomik- kuvvet mikroskobu kullanılarak üç-nokta-bükme deneyleri yapılmıştır. Ölçümler ortam şartlarında sayısal nano-mekanik özellik modülü kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Nanotellerin elastik ve kırılma davranışları incelenmiştir. Sonuçlar analitik ve nümerik araçlarla tahlil edilip sonuç olarak üretim sırasında nanoteller içerisine hapsedilen iç gerilim stresleri olduğu gözlemlenmiştir. Bu çalışma, silisyum nanotellerin boyutlarının, kristal yönelimlerinin, alttaş üzerindeki konumlarının sadece üretim serim tasarımı kullanılarak üretilmesi konusunda varolan bilgiye katkı sağlamaktadır. Aşındırma derinliğinin 10 mikrometre olarak gösterilmesinin yanısıra 50 mikrometre ve daha fazlası için gereken tasarım kriterleri de öngörülmüştür. Geliştirilen teknoloji eşsiz olup, gelecek nanotel- mikrosistem entegrasyonu uygulamaları açısından önemli bir yere sahiptir.