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Adaptive Spiegelschichten auf Basis metallisierter Silikongele
Art der Abschlussarbeit
Dissertation
Autoren
- Franke, Markus
Betreuer
- Prof. Dr.-Ing. Andreas Richter
Weitere Betreuer
Prof. B. Voit, Prof. K. Harre
Abstract
Mikrooptoelektromechanische Systeme (MOEMS) sind adaptive und miniaturisierte optische Bauelemente
mit integrierten Mikroaktoren, welche in der Sensorik, Display- und Telekommunikationstechnik
breite Anwendung finden. Ihr Aufbau beinhaltet jedoch einen Luftspalt und eine bewegliche
Membran, welcher in kostspieliger Hybridbauweise durch Lithografie und Ätzprozesse gefertigt wird.
In dieser Arbeit wird ein neues Konzept zu adaptiven Spiegelschichten mit kompaktem, monolithischem
Multischichtaufbau aus metallisierten Silikongelfilmen mit integrierten dielektrischen Elastomeraktoren
vorgestellt, mit der die Spiegelposition und -form für optische Anwendungen angepasst werden kann.
Zur Realisierung dieser Dünnfilmaktoren wird die Elektrodenmetallisierung des Silikongels dahingehend
optimiert, zugleich reflektierend, leitfähig und flexibel zu sein. Hierzu werden Dünnfilme gefertigt
und durch UV/Ozon bzw. O2-Plasma oberflächenaktiviert. Infrarot-, Röntgen-Photoelektronen-
Spektroskopie (XPS) und Kontaktwinkelmessungen zeigen den Einfluss der Aktivierung anhand der
atomaren Zusammensetzung des Silikongels hin zu höheren Sauerstoff- und geringeren Kohlenstoffgehalten,
der Bildung von Si−OH- und Si−O−Si-Gruppen sowie höheren Oberflächenenergien, welche
zur Metallisierung notwendig sind. XPS und Rheologie bestätigen eine stärkere Tiefenwirkung des
UV/Ozon, verbunden mit einer Tiefenvernetzung und mechanischer Versteifung des Silikongels. Die
Metallisierung des Gels wird über physikalische Gasphasenabscheidung eines 50 nm Schichtverbundes
(Ti, Ag, Au) realisiert. Der Einfluss der Aktivierungsart und -dauer auf die Morphologie des Metalls
wird über Rasterelektronenmikroskopie gezeigt und spiegelt sich in variierender Reflektivität bzw.
Flächenwiderstand wider. Diese Erkenntnisse erlauben, Testaktoren mit unterschiedlichen Parametern
zu fertigen, um folgend deren Einfluss auf die spannungsinduzierte Aktuation mittels Konfokalmikroskopie
zu untersuchen. Die Änderung der Gelsteifigkeit durch Wahl des Geltyps, des Vernetzungsgrades,
der Art und Dauer der Aktivierung, der Schichtdicke sowie der flächigen Strukturierung der oberen
Metallschicht führt zu einer variablen Elektrodendeformation von konkav bis konvex. Auch die Dickenänderung
wird beeinflusst, wobei Aktoren mit einer Dicke z0 = 14 ± 1 μm Stellwege von sz,Ø = -30 %
bei 100 V erzielen. Simulationen und dynamische Messungen der Kapazität ermöglichen ein Systemverständnis
und die Aufstellung eines viskoelastischen Modells zur Ermittlung des Frequenzübertragungsverhaltens.
Aufbauend auf die Testaktorfertigung wird deren Anwendbarkeit anhand einer
adaptiven optischen Mikrokavität und varifokaler Mikrospiegel demonstriert. Die Mikrokavität (Dicke
z0) besteht aus einer unteren transparenten Elektrode, einem dielektrischen Bragg-Spiegel, dem Silikongel
mit integriertem Farbstoff als aktives Medium für Laseranwendungen, sowie der flexiblen Silberelektrode
als oberer Spiegel. Die Mikrokavität erzielt Q-Faktoren bis 1450 und ermöglicht Änderungen
der Emissionswellenlänge bis 40 nm bei 70 V. Weiterhin sind die Spiegelschichten in der Lage, durch
Variation ihrer Wölbung die Fokuslänge zu variieren und als varifokale Mikrospiegel zu fungieren. Die
Ergebnisse zeigen, dass das Konzept adaptiver Spiegelschichten aus metallisierten Silikongelen neue
Anwendungsmöglichkeiten optischer Mikrosysteme mit signifikanter Fertigungsvereinfachung bietet.
mit integrierten Mikroaktoren, welche in der Sensorik, Display- und Telekommunikationstechnik
breite Anwendung finden. Ihr Aufbau beinhaltet jedoch einen Luftspalt und eine bewegliche
Membran, welcher in kostspieliger Hybridbauweise durch Lithografie und Ätzprozesse gefertigt wird.
In dieser Arbeit wird ein neues Konzept zu adaptiven Spiegelschichten mit kompaktem, monolithischem
Multischichtaufbau aus metallisierten Silikongelfilmen mit integrierten dielektrischen Elastomeraktoren
vorgestellt, mit der die Spiegelposition und -form für optische Anwendungen angepasst werden kann.
Zur Realisierung dieser Dünnfilmaktoren wird die Elektrodenmetallisierung des Silikongels dahingehend
optimiert, zugleich reflektierend, leitfähig und flexibel zu sein. Hierzu werden Dünnfilme gefertigt
und durch UV/Ozon bzw. O2-Plasma oberflächenaktiviert. Infrarot-, Röntgen-Photoelektronen-
Spektroskopie (XPS) und Kontaktwinkelmessungen zeigen den Einfluss der Aktivierung anhand der
atomaren Zusammensetzung des Silikongels hin zu höheren Sauerstoff- und geringeren Kohlenstoffgehalten,
der Bildung von Si−OH- und Si−O−Si-Gruppen sowie höheren Oberflächenenergien, welche
zur Metallisierung notwendig sind. XPS und Rheologie bestätigen eine stärkere Tiefenwirkung des
UV/Ozon, verbunden mit einer Tiefenvernetzung und mechanischer Versteifung des Silikongels. Die
Metallisierung des Gels wird über physikalische Gasphasenabscheidung eines 50 nm Schichtverbundes
(Ti, Ag, Au) realisiert. Der Einfluss der Aktivierungsart und -dauer auf die Morphologie des Metalls
wird über Rasterelektronenmikroskopie gezeigt und spiegelt sich in variierender Reflektivität bzw.
Flächenwiderstand wider. Diese Erkenntnisse erlauben, Testaktoren mit unterschiedlichen Parametern
zu fertigen, um folgend deren Einfluss auf die spannungsinduzierte Aktuation mittels Konfokalmikroskopie
zu untersuchen. Die Änderung der Gelsteifigkeit durch Wahl des Geltyps, des Vernetzungsgrades,
der Art und Dauer der Aktivierung, der Schichtdicke sowie der flächigen Strukturierung der oberen
Metallschicht führt zu einer variablen Elektrodendeformation von konkav bis konvex. Auch die Dickenänderung
wird beeinflusst, wobei Aktoren mit einer Dicke z0 = 14 ± 1 μm Stellwege von sz,Ø = -30 %
bei 100 V erzielen. Simulationen und dynamische Messungen der Kapazität ermöglichen ein Systemverständnis
und die Aufstellung eines viskoelastischen Modells zur Ermittlung des Frequenzübertragungsverhaltens.
Aufbauend auf die Testaktorfertigung wird deren Anwendbarkeit anhand einer
adaptiven optischen Mikrokavität und varifokaler Mikrospiegel demonstriert. Die Mikrokavität (Dicke
z0) besteht aus einer unteren transparenten Elektrode, einem dielektrischen Bragg-Spiegel, dem Silikongel
mit integriertem Farbstoff als aktives Medium für Laseranwendungen, sowie der flexiblen Silberelektrode
als oberer Spiegel. Die Mikrokavität erzielt Q-Faktoren bis 1450 und ermöglicht Änderungen
der Emissionswellenlänge bis 40 nm bei 70 V. Weiterhin sind die Spiegelschichten in der Lage, durch
Variation ihrer Wölbung die Fokuslänge zu variieren und als varifokale Mikrospiegel zu fungieren. Die
Ergebnisse zeigen, dass das Konzept adaptiver Spiegelschichten aus metallisierten Silikongelen neue
Anwendungsmöglichkeiten optischer Mikrosysteme mit signifikanter Fertigungsvereinfachung bietet.
Schlagwörter
-
Berichtsjahr
2020