Characterization, surface treatment and nanofabrication by charged particle beams

dc.contributorAalto-yliopistofi
dc.contributorAalto Universityen
dc.contributor.authorPeltonen, Antti
dc.contributor.departmentMikro- ja nanotekniikan laitosfi
dc.contributor.departmentDepartment of Micro and Nanosciencesen
dc.contributor.labMicro and Quantum Systems Groupen
dc.contributor.schoolSähkötekniikan korkeakoulufi
dc.contributor.schoolSchool of Electrical Engineeringen
dc.contributor.supervisorTittonen,Ilkka, Prof., Aalto University, Department of Electronics and Nanoengineering, Finland
dc.date.accessioned2021-10-01T09:00:09Z
dc.date.available2021-10-01T09:00:09Z
dc.date.defence2021-10-15
dc.date.issued2021
dc.description.abstractSurface characterization and modification methods are an essential part of modern micro- and nanofabrication. Over the course of nine decades, electron microscopy has emerged as the main analysis method for a wide variety of materials. Developed in parallel with machines utilizing beams of electrons, focused ion beam systems have made their way from early analysis tools to include options for sophisticated fabrication of miniaturized devices. With a combined method of implementing electron and ion beams into the same machine, the number of analysis options has increased. In this thesis, three charged particle-beam methods are introduced that play a pivotal role throughout the work. While electron microscopy, electron tomography and focused ion beam are all established methods, in this work they are applied in materials analysis. In addition, in this work a focused ion beam is used as the main fabrication method in realizing both microdevices and thin-film device platforms. Several other standard fabrication techniques are applied in various processes throughout the work in realizing the presented applications. Focused ion-beam milling is applied to produce a device platform for low temperature physics applications. Focused ion-beam method also allows a rapid nanofabrication of silicon structures by gallium mask doping of silicon. Functional devices are fabricated by a combination of focused ion-beam doping and dry etching. This hybrid fabrication method enables high aspect ratio micro- and nanostructures. Charged particle beam based material characterization methods are applied to compound Nafion thin films for electroanalytical filtering applications. A standard negative staining method using uranyl formate was applied to Nafion thin films and is shown to improve both contrast and resolution in electron tomography. A new sample preparation method is developed and deployed together with new imaging modes enabling imaging of beam-sensitive Nafion in high resolution. A finger prick blood test strip based on the filtering properties of Nafion and carbon nanotubes is developed. The electrodeposition of copper on carbon nanotube fiber bundles is shown to be capable of increasing the electrical conductance of the bundle, and the copper growth mechanism of bundles is explained. Also it is shown that the corrosion protection of chromium nitride on steel is increased by closing the surface pinholes with an atomic-layer-deposited nanolaminates. Moreover a fabrication method of dual-type nanowires on a single substrate is introduced. Dual-type nanowires are fabricated in a novel method, that enables the fine tuning of the chemistry and optical properties of the nanowires for optical sensor applications.en
dc.description.abstractElektronimikroskoopit ovat vakiinnuttaneet asemansa ensisijaisena analysointimenetelmänä useille eri materiaaleille ja sovelluksille. Elektronisuihkuja hyödyntävien laitteiden rinnalle on vuosien saatossa kehitetty kohdennettuja ionisuihkuja hyödyntäviä järjestelmiä, joiden käyttö on laajentunut materiaalien analysoinnista hienostuneisiin mikro- ja nanovalmistusmenetelmiin. Yhdistämällä kohdennettu elektroni- ja ionisuihku samaan laitteeseen, on analysointi ja mikrovalmistusmenetelmiä saatu monipuolistettua. Tässä väitöskirjassa esitellään varattuihin hiukkassäteisiin perustuvia menetelmiä, joista kolmea käsitellään tarkemmin. Elektronimikroskopia, elektronitomografia ja kohdennetut ionisuihkut ovat vakiintuneita menetelmiä ja tässä työssä niitä hyödynnetään materiaalien analysointiin. Lisäksi, väitöskirjassa kohdennettuja ionisäteitä käytetään toteutettaessa mikrokokoisia laitteita. Tässä väitöskirjassa kohdennettua ionisuihkua käytetään pääasiallisena valmistusmenetelmänä toteutettaessa laitealustaa mikrolaitteille. Samaisella ionisuihkumenetelmällä voidaan seostaa materiaaleja galliumilla hyvin tarkasti, joka mahdollistaa piihin perustuvien korkean aspektisuhteen mikro- ja nanorakenteiden nopean valmistamisen. Toiminnalliset laitteet on valmistettu piille prosessilla, jossa on yhdistetty kuviointi kohdennetulla ionisäteellä ja syvä reaktiivinen ionisyövytys. Uranyyliformiaattivärjäysmenetelmän osoitetaan parantavan kontrastia ja erottelukykyä Nafionohutkalvolle tehdyssä elektronitomografiassa. Väitöstyössä kehitetty näytteenvalmistus- ja kuvantamismenetelmä mahdollistaa herkkien Nafionkalvojen kuvantamisen suurella erottelukyvyllä. Tässä väitöstyössä esiteltyjä analysointimenetelmiä hyödynnetään mm. analysoimalla ohuita Nafionyhdistelmäkalvoja, joita käytetään elektroanalyyttisissä suodatinsovelluksissa. Työssä esitellään sormenpistoksesta otettavan verinäytteeseen perustuva testiliuska, jossa hyödynnetään Nafionhiilinanoputkikalvon suodatusominaisuuksia. Työssä esitellään myös kuparin kasvumekanismi sähkösaostusprosessissa hiilinanoputkikuiduille. Hiilinanoputki-kuparikuitujen sähkönjohtavuuden osoitetaan kasvavan esitellyllä menetelmällä. Myös teräksen korroosiosuojausta tutkittiin. Krominitridillä pinnoitettujen teräspintojen korroosionkestävyys paranee merkittävästi, kun pintakerroksessa olevat huokoset kasvatetaan umpeen atomikerroskasvatusmenetelmällä tehdyllä nanolaminaatilla. Lisäksi väitöstyössä esitellään valmistusmenetelmä tuplalankarakenne nanolangoille samalle substraatille. Uusi valmistusmenetelmä mahdollistaa nanolankojen koostumuksen ja optisten ominaisuuksien hienosäädön, jota voidaan hyödyntää optisissa antureissa.fi
dc.format.extent80 + app. 82
dc.format.mimetypeapplication/pdfen
dc.identifier.isbn978-952-64-0511-7 (electronic)
dc.identifier.isbn978-952-64-0510-0 (printed)
dc.identifier.issn1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.urihttps://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/110205
dc.identifier.urnURN:ISBN:978-952-64-0511-7
dc.language.isoenen
dc.opnNonappa, Prof., Tampere University, Finland
dc.publisherAalto Universityen
dc.publisherAalto-yliopistofi
dc.relation.haspart[Publication 1]: A. Peltonen, J. Etula, J. Seitsonen, P. Engelhardt, and T. Laurila, Three dimensional fine structure of nanometer scale Nafion thin films, ACS Adv. Polym. Mat., 3, 2, 1078-1086, 2021. Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202103102282. DOI: 10.1021/acsapm.0c01318
dc.relation.haspart[Publication 2]: E. Leppänen, A. Peltonen, J. Seitsonen, J. Koskinen, and T. Laurila, Effects of Thickness and additional elements on the filtering properties of a thin Nafion layer, J. Elec. Chem., 843, 12-21, 2019. Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201906033356. DOI: 10.1016/j.jelechem.2019.05.002
dc.relation.haspart[Publication 3]: J. Leppäniemi, P. Sippola, A. Peltonen, J. J. Aromaa, H. Lipsanen, and J. Koskinen, Effect of surface wear on corrosion protection of steel by CrN coat- ings sealed with atomic layer deposition, ACS Omega, 3, 1791-1800, 2018. Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201803161748. DOI: 10.1021/acsomega.7b01382
dc.relation.haspart[Publication 4]: A. Peltonen, H. Nguyen, J. Muhonen, and J. Pekola, Milling a silicon nitride membrane by focused ion beam, J. Vac. Sci. Technol. B, 34, 2016. Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201701191322. DOI: 10.1116/1.4963895
dc.relation.haspart[Publication 5]: P-M. Hannula, A. Peltonen, J. Aromaa, D. Janas, M. Lundström, B. P. Wilson, K. Koziol, and O. Forsen, Carbon nanotube-copper composites by electro- deposition on carbon nanotube fibers, Carbon, 107, 281-287, 2016. DOI: 10.1016/j.carbon.2016.06.008
dc.relation.haspart[Publication 6]: J-P. Kakko, T. Haggren, V. Dhaka, T. Huhtio, A. Peltonen, H. Jiang, E. Kauppinen, and H. Lipsanen, Fabrication of dual-type nanowire arrays on a single substrate, Nano Lett., 15, 3, 1679-1683, 2015. DOI: 10.1021/nl504308x
dc.relation.haspart[Publication 7]: N. Chekurov, K. Grigoras, L. Sainiemi, A. Peltonen, I. Tittonen, and S. Franssila, Dry fabrication of microdevices by the combination of focused ion beam and cryogenic deep reactive ion etching, J. Micromech. Microeng., 20, 2010. DOI: 10.1088/0960-1317/20/8/085009
dc.relation.haspart[Publication 8]: N. Wester, B. Mikladal, I. Varjos, A. Peltonen, E. Kalso, T. Lilius, T. Laurila, and J. Koskinen, Disposable Nafion-coated single-walled carbon nanotube test strip for electrochemical quantitative determination of acetaminophen in finger-prick whole blood sample, Anal. Chem., 92, 19, 13017-13024, 2020. Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-2020113020534. DOI: 10.1021/acs.analchem.0c01857
dc.relation.ispartofseriesAalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONSen
dc.relation.ispartofseries125/2021
dc.revKordás, Krisztián, Prof., University of Oulu, Finland
dc.revVehkamäki, Marko, Dr., University of Helsinki, Finland
dc.subject.keywordfocused ion beamen
dc.subject.keywordelectrontomographyen
dc.subject.keywordnanofabricationen
dc.subject.keyworddry etchingen
dc.subject.keywordatomic layer depositionen
dc.subject.keywordFIBen
dc.subject.keywordkohdennettu ionisuihkufi
dc.subject.keywordelektronitomografiafi
dc.subject.keywordnanovalmistusfi
dc.subject.keywordkuivaetsausfi
dc.subject.keywordatomikerroskasvatusfi
dc.subject.otherElectrical engineeringen
dc.titleCharacterization, surface treatment and nanofabrication by charged particle beamsen
dc.titleKarakterisointi, pintakäsittely ja nanovalmistus varattuja hiukkassuihkuja käyttäenfi
dc.typeG5 Artikkeliväitöskirjafi
dc.type.dcmitypetexten
dc.type.ontasotDoctoral dissertation (article-based)en
dc.type.ontasotVäitöskirja (artikkeli)fi
local.aalto.acrisexportstatuschecked 2021-10-18_1147
local.aalto.archiveyes
local.aalto.formfolder2021_09_30_klo_15_27
local.aalto.infraOtaNano
local.aalto.infraOtaNano - Aalto Nanofab / Micronova
local.aalto.infraOtaNano - Nanomicroscopy Center
Files
Original bundle
Now showing 1 - 1 of 1
No Thumbnail Available
Name:
isbn9789526405117.pdf
Size:
5.13 MB
Format:
Adobe Portable Document Format