Jinsub Choi

Fabrication of Monodomain Porous Alumina using Nanoimprint Lithography and its Applications

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Doktor-Ingenieur (Dr.-Ing.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 05.02.2004

Abstract
Poröses Aluminiumoxid, eines der meistgenutzten anorganischen Templatmaterialien, weist unter bestimmten Herstellungsbedingung selbstgeordnete Poren-Domänen auf. Im Rahmen meiner Doktorarbeit habe ich mich mit dem Phänomen der Selbstordnung von Porenstrukturen und dessen Kombination mit geeigneten lithographischen Methoden beschäftigt. Ich konnte zeigen, dass das selbstgeordente Porenwachstum nur unter spezifischen Reaktionsbedingungen abläuft, welche durch die 10%-Porositäts-Regel beschrieben und vorhergesagt werden können. Darauf aufbauend wurde ein Nanoprägestempel mit einem Abstand der pyramidalen Prägespitzen, der gerade einem der selbstgeordneten Regimes entspricht, entwickelt. Durch die Kombination von Selbstordnung und Nanopräge-Lithographie konnten so großflächige monodomänige Porenstrukturen mit Porentiefen von mehr als 100 Ám erzeugt werden. Diese Kombination ermöglichte aber noch viele weitere Entwicklungen: Smarte Nanopräge-Lithographie, Nanoverzweigungen, Moiré-Strukturen, die Integration von porösem Aluminiumoxid in die Siliziumtechnologie und Tiefenmodulationen des Porendurchmessers. Basierend auf dem sehr guten Verständnis der Elektrochemie von Aluminium wurden dann versucht, dieses Konzept auch auf andere Ventilmetalle auszudehnen, beispielsweise Titan. Dabei konnte allerdings gezeigt werden, dass es ein analoges Porenwachstum wie beim Aluminium aufgrund der halbleitenden Eigenschaften von Titan nicht gibt. Abschließend werden zwei Anwendungsbeispiele von monodomänigem porösen Aluminiumiumoxid vorgestellt: die Synthese von geordneten Silber-Nanostabensembles und die Nutzung von porösem Aluminiumoxid als photonischer Kristall im sichtbaren Spektralbereich.

The self-ordering regimes associated with specific anodization conditions obeying the 10% porosity rule are described, which allow to obtain self-ordered porous alumina structures by electrochemical anodization. Monodomain porous alumina templates with very high aspect ratios are synthesized by nanoimprint lithography using a novel master stamp with periodic pyramids of 500 nm lattice constant, which have been fabricated on a 4 inch wafer by silicon processing technology. The combination of self-assembly and nanoimprint lithography allows the preparation of porous alumina templates with various configurations of pore arrangement that are not accessible by other state-of-the-art methods. Smart nanoimprint lithography, nanobranches, Moiré patterns, porous films on a Si substrate and porous alumina channels with a modulated diameter are discussed in detail. The same concepts are applied to prepare nanostructured porous oxides on another valve metals. Anodic oxides grown on a Ti substrate above and below the breakdown potential, respectively, are discussed in detail and compared with the mechanisms governing the formation of porous alumina. Two promising applications of porous alumina are investigated: First, it is successfully used as template for the synthesis of silver nanowires by electrochemical deposition. Secondly, optical properties of the porous alumina structures are measured. These show in principle the feasibility of their application as photonic crystals.

Keywords:
Poröses Aluminiumoxid, Anodisierung, Nanoprägelithographie, anodisches poröses Titanoxid, Templat, Nanodrähte, photonische Kristalle

Porous alumina, anodization, nanoimprint lithography, anodic porous titania, template, nanowires, photonic crystals

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Inhaltsverzeichnis
Title page, Contents, Notation, Abstract / Kurzfassung (1, i-v)
1. Aluminum anodization (1-12)
2 Self-ordered porous alumina - new insight in growth (13-16)
3 Monodomain porous alumina obtained by nanoimprint lithography (17-27)
4 Porous alumina structures obtained by advanced nanoimprint lithography (28-51)
5 Ti anodization: A comparison with aluminum anodization (52-64)
6 Application I - Templates for silver nanowire growth (65-70)
7 Application II - Porous alumina photonic crystals (71-82)
8 Conclusions / Schlußfolgerungen (83-85)
9 Outlook (86-87)
Bibliography (88-97)
List of publications, List of presentations (selection), patent (99-101)