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Nanostrukturierte SiO2-Gläser für die Mikrotechnik und Biosensorik

Die Besonderheiten von reinem SiO2-Glas, wie biologische Verträglichkeit, geringe dielektrische Konstante, hohe Temperaturwechselbeständigkeit, sowie mechanische und chemische Resistenz sind von zunehmendem Interesse in der Biosensorik und Mikrotechnik. Als potentielles Funktionalisierungsmaterial sowie Basis weiterer Modifizierungen liegt der größte Vorteil in der optischen Transparenz,bei Kieselglas insbesondere ohne Eigenfluoreszenz.
Die in dieser Arbeit untersuchte Einflußnahme auf die Eigenschaften additiver Sol-Gel-Membranen im TEOS-H2O-HCl-System und subtraktiv erzeugter Oberflächen auf Synthetic Fused Silica als Grundmaterial über die Synthese bzw. Prozeßbedingungen, zielen auf eine innovative Funktionalisierung in der Sensorik zellanalytischer Systeme sowie Material-hybrider MEMS. Die Charakterisierung der präsentierten Ergebnisse erfolgt über Ellipsometrie, bildgebende Verfahren, stoffliche Analytik und impedometrische Methoden. Daneben wird die besondere Bedeutung einer gezielten Substratreinigung herausgestellt. Die angestrebte selbstorganisierte Porosität über die Si-O-Netzwerkbildung zum einen und der selektive plasmachemische Abtrag zum anderen werden auf ihre Mechanismen der Bildung untersucht. Erstere dient als siebend ionenselektive, langzeitstabile Membran auf dem open gate pH-sensitiver, transparenter AlGaN/GaN-ISFETs in wässrigen Medien. Letztere begünstigt durch die Oberflächenvergrößerung in Kieselglas u.a. innovative Aufbau- und Verbindungstechnik. Zum einen wird daher anhand theoretischer Betrachtung der Mechanismen einer Ionenselektivität gegenüber zellphysiologisch relevanten Kationen der I. und II. Hauptgruppe eine Eignung von Sol-Gelen als ionenseparierende Membran abgleitet. Porengrößen unter 1nm, gute Membran-Haftung und geringe Schichtdicke sind die Kriterien einer gezielten Parametervariation von Sol-Mischungsverhältnissen und deren Applikation über Spin- und Dip-Coating. Mit reproduzierbar erzeugten Schichtdicken von 30 bis 380nm, Brechungsindizes von 1:3 bis 1:9 als Indikator der Porosität und Rauheiten von 0:3 bis 30nm werden Einflüsse auf die Schichtbildung und Rückschlüsse auf Porosität und deren Ermittlung gezogen.
Ausgewählte Sole mit O:Si-Verhältnissen und Brechungsindizes nahe thermisch erzeugtem SiO2 wurden hinsichtlich ihrer Anwendung als ionenselektive Membran als MOS- und EIS-Strukturen untersucht, bevor sie auf AlGaN/GaN-Sensoren eingesetzt wurden. Erstere Systeme lassen Rückschlüsse auf Dichte, Dicke und stoffliche Eigenschaften zu. Der direkte Nachweis einer Ionenselektivität erfolgt über die AlGaN/GaN-FETs und führt zu einer reproduzierbaren pH-Sensitivität nach Nernstschem Verhalten. Die gleichzeitig reproduzierbare Reaktion des Sensors auf die getesteten Ionen deutet auf eine definierte Ansammlung derselbigen in der Membran hin.
Auf Fused Silica erfolgte weiterhin eine forcierte selbstorganisierte Nadelbildung über die gezielte Wahl der Prozeßparameter von DRIE-ICP- und RIEPlasmaanlagen. Dabei können homogen stochastisch gras-, nadel-, säulen- oder röhrenartige Glas-Strukturen bis 1 _m Breite und 6 _m Länge bei einer Prozeßdauer von 90 min erzielt werden. Die Dichtevariation derselben reicht von 0:15 bis 90 _ 106 mm2. Verwendet werden hauptsächlich die Gase SF6/O2 und C4F8, wobei insbesondere der Einfluß von Polymerpassivierungen untersucht wird. Kohlenstoffe sind zur Glas Gras-Bildung nicht notwendig, besitzen aber Einfluß auf die Dichte. Auch die Übertragbarkeit auf andere Siliziumoxide wird inklusive leicht abgewandelter Resultate gezeigt. Rückschlüsse auf die Entstehungsmechanismen des Glas Grases werden gezogen, wobei Mikromaskierung durch Metalle, Verunreinigungen oder Polymerpassivierung eindeutig ausgeschlossen werden können. Vielmehr werden die besonderen Eigenschaften des hochreinen SiO2 auf atomarer Ebene zur Bildung dieser Nadeln ausgenutzt. Die visuellen Eigenschaften reichen abhängig von der Dichte von milchig weiß bis transparent, was eine steuerbare Transparenz bzw. Streuung bedeutet. Weitere innovative Anwendungen des Glas Grases sind die einfache, spannungsarme Verbindung mit Polymeren, Keramiken, sich selbst und Silizium über Black Silicon sowie als Oberflächenvergrößerung in elektronischen oder katalytischen Systemen.