Cutting Edge Nanotechnology

The main purpose of this book is to describe important issues in various types of devices ranging from conventional transistors (opening chapters of the book) to molecular electronic devices whose fabrication and operation is discussed in the last few chapters of the book. As such, this book can serve as a guide for identifications of important areas of research in micro, nano and molecular electronics. We deeply acknowledge valuable contributions that each of the authors made in writing these excellent chapters

Micromachining

To present their work in the field of micromachining, researchers from distant parts of the world have joined their efforts and contributed their ideas according to their interest and engagement. Their articles will give you the opportunity to understand the concepts of micromachining of advanced materials. Surface texturing using pico- and femto-second laser micromachining is presented, as well as the silicon-based micromachining process for flexible electronics. You can learn about the CMOS compatible wet bulk micromachining process for MEMS applications and the physical process and plasma parameters in a radio frequency hybrid plasma system for thin-film production with ion assistance. Last but not least, study on the specific coefficient in the micromachining process and multiscale simulation of influence of surface defects on nanoindentation using quasi-continuum method provides us with an insight in modelling and the simulation of micromachining processes. The editors hope that this book will allow both professionals and readers not involved in the immediate field to understand and enjoy the topic

Understanding Quantum Technologies 2022

Understanding Quantum Technologies 2022 is a creative-commons ebook that provides a unique 360 degrees overview of quantum technologies from science and technology to geopolitical and societal issues. It covers quantum physics history, quantum physics 101, gate-based quantum computing, quantum computing engineering (including quantum error corrections and quantum computing energetics), quantum computing hardware (all qubit types, including quantum annealing and quantum simulation paradigms, history, science, research, implementation and vendors), quantum enabling technologies (cryogenics, control electronics, photonics, components fabs, raw materials), quantum computing algorithms, software development tools and use cases, unconventional computing (potential alternatives to quantum and classical computing), quantum telecommunications and cryptography, quantum sensing, quantum technologies around the world, quantum technologies societal impact and even quantum fake sciences. The main audience are computer science engineers, developers and IT specialists as well as quantum scientists and students who want to acquire a global view of how quantum technologies work, and particularly quantum computing. This version is an extensive update to the 2021 edition published in October 2021.Comment: 1132 pages, 920 figures, Letter forma

Liquid Metal Printing with Scanning Probe Lithography for Printed Electronics

In den letzten Jahren hat das „Internet der Dinge“ (Englisch Internet of Things, abgekürzt IoT), das auch als Internet of Everything (Deutsch frei „Internet von Allem“) bezeichnet wird, mit dem Aufkommen der „Industrie 4.0“ einen Strom innovativer und intelligenter sensorgestützter Elektronik der neuen Generation in den Alltag gebracht. Dies erfordert auch die Herstellung einer riesigen Anzahl von elektronischen Bauteilen, einschließlich Sensoren, Aktoren und anderen Komponenten. Gleichzeitig ist die herkömmliche Elektronikfertigung zu einem hochkomplexen und investitionsintensiven Prozess geworden. In dem Maße, wie die Zahl der elektronischen Bauteile und die Nachfrage nach neuen, fortschrittlicheren elektronischen Bauteilen zunimmt, steigt auch die Notwendigkeit, effizientere und nachhaltigere Wege zur Herstellung dieser Bauteile zu finden. Die gedruckte Elektronik ist ein wachsender Markt, der diese Nachfrage befriedigen und die Zukunft der Herstellung von elektronischen Geräten neu gestalten könnte. Sie erlaubt eine einfache und kostengünstige Produktion und ermöglicht die Herstellung von Geräten auf Papier- oder Kunststoffsubstraten. Für die Herstellung gibt es dabei eine Vielzahl von Methoden. Techniken auf der Grundlage der Rastersondenlithografie waren dabei schon immer Teil der gedruckten Elektronik und haben zu Innovationen in diesem Bereich geführt. Obwohl die Technologie noch jung ist und der derzeitige Stand der gedruckten Elektronik im industriellen Maßstab, wie z. B. die Herstellung kompletter integrierter Schaltkreise, stark limitiert ist, sind die potenziellen Anwendungen enorm. Im Mittelpunkt der Entwicklung gedruckter elektronischer Schaltungen steht der Druck leitfähiger und anderer funktionaler Materialien. Die meisten der derzeit verfügbaren Arbeiten haben sich dabei auf die Verwendung von Tinten auf Nanopartikelbasis konzentriert. Die Herstellungsschritte auf der Grundlage von Tinten auf Nanopartikelbasis sind komplizierte Prozesse, da sie das Ausglühen (Englisch Annealing) und weitere Nachbearbeitungsschritte umfassen, um die gedruckten Muster leitfähig zu machen. Die Verwendung von Gallium-basierten, bei/nahe Raumtemperatur flüssigen Metallen und deren direktes Schreiben für vollständig gedruckte Elektronik ist immer noch ungewöhnlich, da die Kombination aus dem Vorhandensein einer Oxidschicht, hohen Oberflächenspannungen und Viskosität ihre Handhabung erschwert. Zu diesem Zweck zielt diese Arbeit darauf ab, Methoden zum Drucken von Materialien, einschließlich Flüssigmetallen, zu entwickeln, die mit den verfügbaren Druckmethoden nicht oder nur schwer gedruckt werden können und diese Methoden zur Herstellung vollständig gedruckter elektronischer Bauteile zu verwenden. Weiter werden Lösungen für Probleme während des Druckprozesses untersucht, wie z. B. die Haftung der Tinte auf dem Substrat und andere abscheidungsrelevante Aspekte. Es wird auch versucht, wissenschaftliche Fragen zur Stabilität von gedruckten elektronischen Bauelementen auf Flüssigmetallbasis zu beantworten. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine auf Glaskapillaren basierenden Direktschreibmethode für das Drucken von Flüssigmetallen, hier Galinstan, entwickelt. Die Methode wurde auf zwei unterschiedlichen Wegen implementiert: Einmal in einer „Hochleistungsversion“, basierend auf einem angepassten Nanolithographiegerät, aber ebenfalls in einer hochflexiblen, auf Mikromanipulatoren basierenden Version. Dieser Aufbau erlaubt einen on-the-fly („im Fluge“) kapillarbasierten Druck auf einer breiten Palette von Geometrien, wie am Beispiel von vertikalen, vertieften Oberflächen sowie gestapelten 3D-Gerüsten als schwer zugängliche Oberflächen gezeigt wird. Die Arbeit erkundet den potenziellen Einsatz dieser Methode für die Herstellung von vollständig gedruckten durch Flüssigmetall ermöglichten Bauteilen, einschließlich Widerständen, Mikroheizer, p-n-Dioden und Feldeffekttransistoren. Alle diese elektronischen Bauelemente werden ausführlich charakterisiert. Die hergestellten Mikroheizerstrukturen werden für temperaturgeschaltete Mikroventile eingesetzt, um den Flüssigkeitsstrom in einem Mikrokanal zu kontrollieren. Diese Demonstration und die einfache Herstellung zeigt, dass das Konzept auch auf andere Anwendungen, wie z.B. die bedarfsgerechte Herstellung von Mikroheizern für in-situ Rasterelektronenmikroskop-Experimente, ausgeweitet werden kann. Darüber hinaus zeigt diese Arbeit, wie PMMA-Verkapselung als effektive Barriere gegen Sauerstoff und Feuchtigkeit fungiert und zusätzlich als brauchbarer mechanischer Schutz der auf Flüssigmetall basierenden gedruckten elektronischen Bauteile wirken kann. Insgesamt zeigen der alleinstehende, integrierte Herstellungsablauf und die Funktionalität der Geräte, dass das Potenzial des Flüssigmetall-Drucks in der gedruckten Elektronik viel größer ist als einzig die Verwendung zur Verbindung konventioneller elektronischer Bauteile. Neben der Entwicklung von Druckverfahren und der Herstellung elektronischer Bauteile befasst sich die Arbeit auch mit der Korrosion und der zusätzlichen Legierung von konventionellen Metallelektroden in Kontakt mit Flüssigmetallen, welche die Stabilität der Bauteil beinträchtigen könnten. Zu diesem Zweck wurde eine korrelierte Materialinteraktionsstudie von gedruckten Galinstan- und Goldelektroden durchgeführt. Durch die kombinierte Anwendung von optischer Mikroskopie, vertikaler Rasterinterferometrie, Rasterelektronenmikroskopie, Röntgenphotonenspektroskopie und Rasterkraftmikroskopie konnte der Ausbreitungsprozess von Flüssigmetalllinien auf Goldfilmen eingehend charakterisiert werden. Diese Studie zeigt eine unterschiedliche Ausbreitung der verschiedenen Komponenten des Flüssigmetalls sowie die Bildung von intermetallischen Nanostrukturen auf der umgebenden Goldfilmoberfläche. Auf der Grundlage der erhaltenen zeitabhängigen, korrelierten Charakterisierungsergebnisse wird ein Modell für den Ausbreitungsprozess vorgeschlagen, das auf dem Eindringen des Flüssigmetalls in den Goldfilm basiert. Um eine ergänzende Perspektive auf die interne Nanostruktur zu erhalten, wurde die Röntgen-Nanotomographie eingesetzt, um die Verteilung von Gold, Galinstan und intermetallischen Phasen in einem in das Flüssigmetall getauchten Golddraht zu untersuchen. Schlussendlich werden Langzeitmessungen des Widerstands an Flüssigmetallleitungen, die Goldelektroden verbinden, durchgeführt, was dazu beiträgt, die Auswirkungen von Materialwechselwirkungen auf elektronische Anwendungen zu bewerten

Carbon-Based Nanomaterials for (Bio)Sensors Development

Carbon-based nanomaterials have been increasingly used in sensors and biosensors design due to their advantageous intrinsic properties, which include, but are not limited to, high electrical and thermal conductivity, chemical stability, optical properties, large specific surface, biocompatibility, and easy functionalization. The most commonly applied carbonaceous nanomaterials are carbon nanotubes (single- or multi-walled nanotubes) and graphene, but promising data have been also reported for (bio)sensors based on carbon quantum dots and nanocomposites, among others. The incorporation of carbon-based nanomaterials, independent of the detection scheme and developed platform type (optical, chemical, and biological, etc.), has a major beneficial effect on the (bio)sensor sensitivity, specificity, and overall performance. As a consequence, carbon-based nanomaterials have been promoting a revolution in the field of (bio)sensors with the development of increasingly sensitive devices. This Special Issue presents original research data and review articles that focus on (experimental or theoretical) advances, challenges, and outlooks concerning the preparation, characterization, and application of carbon-based nanomaterials for (bio)sensor development

Metal and semiconductor nanostructures for energy conversion applications

Department of Energy EngineeringEnergy crisis is one of the serious concerns, which needs to be addressed for a better future. Energy is majorly involved in our daily lives through electricity and transportation purposes. In present scenario, major part of electricity generation and transportation needs is fulfilled by fossil fuels. However due to the growing energy demand and lack of fossil fuel resources, alternatively renewable energy based technologies are being actively explored. Solar energy is one of the safe, clean, renewable energy which provides light and heat on a large scale. The solar light (photons) can be used to generate electricity/fuel via solar photovoltaics, solar water splitting, and artificial photosynthesis. Solar water splitting /Photo electrochemical cell (PEC) consists of semiconductor materials (as photo anodes/photo cathodes) which utilize solar light to generate oxygen/hydrogen from water. Hydrogen is a safe and clean fuel which has future prospects in transportation sector. Thermoelectric technology is another attractive technology, which can transform temperature into electricity or vice versa. This dissertation focuses on nanomaterials based novel strategies for improving the photo anodes performance in PEC cell and synthesize an eco-friendly material to enhance thermoelectric performance. With regard to design a better photo anodes, many metal nanoparticles and semiconductor nanowires are synthesized and their optical properties are carefully studied. Nanostructured materials have better optical, electrical, thermal properties over the bulk materials. Metal nanoparticles (NPs) have visible light absorption which can be advantageous in making hybrid nanostructures of metal NP and semiconductor nanowire. A hierarchically patterned metal/semiconductor (gold (Au) NPs/pat-zinc oxide (ZnO) nanowires) was fabricated via interference lithography (IL). The PEC performance of photo anodes (Au/pat-ZnO nanowires) displays a stable and increased photocurrent than the non-patterned samples due to efficient light trapping structures and plasmon enhanced water splitting. This hybrid nanostructure can also be used in solar cell, light emitting diodes, and as SERS substrates. The most-efficient thermoelectric materials till date are telluride/selenide based devices which are toxic and hazardous to the environment. Graphene is considered as potential alternative to the current state-of-art thermoelectric materials; provided the issues in graphene are properly addressed. Graphene has high electrical and thermal conductivity, which degrades the overall thermoelectric performance. The introduction of pores in graphene, allows better control over the thermoelectric performance. The effect of pore size and the structure-property relationships are studied in detail. The porous graphene displays promising thermoelectric performance that can be used for electricity generation. The usage of nanomaterials based energy conversion technologies shows promising outcomes, which holds the key for future energy generation.ope

Enabling Capillary Self-Assembly for Microsystem Integration

Efficient and precise assembly of very-large quantities of sub-millimeter-sized devices onto pre-processed substrates is presently a key frontier for microelectronics, in its aspiration to large-scale mass production of devices with new functionalities and applications (e.g. thin dies embedded into flexible substrates, 3D microsystem integration). In this perspective, on the one hand established pick&place assembly techniques may be unsuitable, due to a trade-off between throughput and placement accuracy and to difficulties in predictably handling very-small devices. On the other hand, self-assembly processes are massively parallel, may run unsupervised and allow contactless manipulation of objects. The convergence between robotic assembly and self-assembly, epitomized by capillarity-enhanced flip-chip assembly, can therefore enable an ideal technology meeting short-to-medium-term electronic packaging and assembly needs. The objective of this thesis is bridging the gap between academic proofs-of- concept of capillary self-assembly and its industrial application. Our work solves several issues relevant to capillary self-assembly of thin dies onto preprocessed substrates. Very-different phenomena and aspects of both scientific and technological interest coexist in such a broad context. They were tackled both experimentally and theoretically. After a critical review of the state-of-the-art in microsystem integration, a complete quasi-static study of lateral capillary meniscus forces is presented. Our experimental setup enables also a novel method to measure the contact angle of liquids. Recessed binding sites are introduced to obtain perfectly-conformal fluid dip-coating of patterned surfaces, which enables the effective and robust coding of geometrical information into binding sites to direct the assembly of parts. A general procedure to establish solder-mediated electro-mechanical interconnections between parts and substrate is validated. Smart surface chemistries are invoked to solve the issue of mutual adhesion between parts during the capillary self-assembly process. Two chemical kinetic-inspired analytic models of fluidic self-assembly are presented and criticized to introduce a novel agent-based model of the process. The latter approach allows realistic simulations by taking into account spatial factors and collision dynamics. Concluding speculations propose envisioned solutions to residual open issues and further perspectives for this field of rapidly-growing importance

Growth and characterization of two-dimensional carbon nanostructures

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH