Dünnfilmtechnik

Dünnfilme

In diesem Forschungsbereichs werden Untersuchungen an Metall-Chalkogenid-Systemen durchgeführt. Die Forschungsgebiete können in zwei Bereiche mit unterschiedlichen Zielsetzungen unterteilt werden: 1. Synthese neuer Materialien und deren Charakterisierung, 2. grundlegende Untersuchungen über den Mechanismus, die Reaktivität und die Kinetik der ablaufenden Festkörperreaktionen.

1. Synthese neuer Produkte

Zur Synthese von neuen Materialien auf Dünnfilmbasis wird eine besondere Synthesetechnik angewendet, bei der ܜbergangsmetall und Chalkogen alternierend in Form dünner Schichten auf einem Substrat abgeschieden werden. Bei dieser Synthesemethode stellt nicht - wie bei der klassischen Hochtemperatursynthese - die Diffusion der Reaktanden, sondern die Nukleation des Produktes den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt dar, wodurch neue, kinetisch stabile Produkte bei niedrigen Temperaturen zugänglich sind, die mit der klassischen Synthesen nicht darstellbar sind. Der Verlauf einer solchen Synthese ist in Abbildung 1 zusammen mit den unterschiedlichen Methoden, die zur Charakterisierung angewendet werden, dargestellt.



Abb.1
: Schematische Darstellung des Ablaufs einer Dünnfilm-Festkörperreaktion

Die bisherigen Untersuchungen wurden in den Systemen Ti/Se, Cr/Se und Cr/Te durchgeführt. Als Produkte wurden kristalline Filme verschiedener binärer Verbindungen erhalten. Die Bildungstemperatur dieser kristallinen Filme liegt i.A. deutlich unter den für die klassischen Synthesen in der Literatur angegebenen Reaktionstemperaturen. Ein kristalliner Film von CrTe3 kann z.B. mit der Dünnfilmtechnik schon bei 90 °C erhalten werden. CrTe3 wird klassisch bei ca. 350 °C dargestellt. Ein gemeinsames Charakteristikum aller erhaltenen kristallinen Filme ist ihr streng orientiertes Kristallwachstum. Während die Volumensynthese i.A. ein polykristallines Produkt liefert, können mit der Dünnfilmtechnik hoch texturierte Produkte erhalten werden. CrTe3 wird z.B. in strenger kristallografischer (h00)-Orientierung erhalten. Mit dieser Technik können Beschichtungen mit anisotropen Materialien durchgeführt werden, wobei bestimmte Eigenschaften gezielt senkrecht, andere parallel zur Substratoberfläche wirken. Die Röntgenbeugungsbilder dieser hoch texturierten kristallinen Filme zeigen zumeist nur eine Reflexserie. Diese Signale beruhen auf Reflexionen an Netzebenen im Kristall, die parallel zur Substratoberfläche orientiert sind.

Ein besonderes Potenzial der Dünnfilmtechnik liegt in der Möglichkeit, metastabile Festkörperprodukte zu synthetisieren. Interessant sind dabei vor allem die sogenannten ܜbergitter-Strukturen. Durch Tempern einer geeigneten Multischicht wird versucht, ein Produkt mit kristalliner Schichtstruktur darzustellen, deren Elementarzelle aus mehreren Schichten zweier (oder mehrerer) binärer Komponenten besteht (s. Abb. 2). Die Eigenschaften solcher Materialien sind von denen der binären Komponenten abhängig und sollten sich durch deren geschickte Auswahl, sowie Variation ihrer €žKonzentration in der Elementarzelle, in gewissen Grenzen €žmaߟschneidern lassen.



Abb. 2
: Beispiel für ein mögliches ܜbergitter mit den Komponenten Ti/Te und Cr/Te. Eine mögliche Elementarzelle ist eingezeichnet.

In zukünftigen Forschungsarbeiten sollen neue ܜbergitterstrukturen hergestellt werden, die z.B. aus magnetischen und nicht-magnetischen Schichten bestehen. Durch die geschickte Auswahl der Einzelkomponenten lassen sich mit diesem Vorgehen nanoskopische Strukturen erzeugen, welche die Eigenschaften der Einzelkomponenten in einer ܜbergitterstruktur enthalten.

2. Untersuchung der Reaktionsmechanismen

Neben der Synthese und Charakterisierung neuer Verbindungen soll ein tieferes Verständnis des Mechanismus der ablaufenden Reaktionen erreicht werden. Die Dünnfilmtechnik bietet für dieses ehrgeizige Ziel beste Voraussetzungen, da der Reaktionsverlauf mit verschiedenen analytischen Techniken verfolgt werden kann (s. Abb. 1), welche bei der klassischen Festkörpersynthese nur bedingt angewendet werden können. Ist der Reaktionsmechanismus verstanden, kann dieser durch Variation der Synthesebedingungen gezielt beeinflusst und damit kontrolliert werden, was zu einer besseren Planbarkeit der Reaktion führt.

Die Reaktionsabläufe in verschiedenen untersuchten Systemen unterscheiden sich z.T. deutlich. Im System Cr/Te z.B. kristallisieren die Produkte bei niedrigen Temperaturen an den Grenzflächen der Multischichten. Die Reaktionen der Proben Cr/Se und Ti/Se lassen sich hingegen in drei Bereiche unterteilen. Zuerst findet die Interdiffusion der Elemente statt, bis der Multischichtcharakter der Probe vollkommen verschwunden ist. Anschließend bleibt eine amorphe Legierung über einen gewisses Temperaturintervall stabil. Bei weiterer Erhöhung der Temperatur kristallisieren schlieߟlich die im obigen Absatz diskutierten Produkte.

Zur Charakterisierung der Reaktion, der Reaktionsprodukte und €“intermediate stehen unterschiedliche, sich ergänzende analytische Methoden zur Verfügung. Die Röntgenreflektometrie (XRR) liefert die notwendigen Informationen über die Multischichtproben wie die Rauhigkeiten der Einzelschichten, die Dichten der Schichten und die Dicken der Einzelschichten. Die Zusammensetzung der Proben wird mit energiedispersiver Röntgenfloureszenzanalyse (EDX) ermittelt. Ergänzend zu diesen Methoden wird auch Transmissionselekktronenmikroskopie (TEM), Tiefenprofilanalyse und Atomabsorptionsspektroskopie (AAS) angewendet. Mit in-situ Röntgenbeugung werden die Veränderungen der Probe in Abhängigkeit von der Temperatur untersucht. Die bei einigen Reaktionen auftretenden amorphen Intermediate werden durch Röntgenabsorptionsspektroskopie am Deutschen Synchroton (DESY) im Hamburger Synchroton Labor (HASYLAB) charakterisiert. Die Ergebnisse dieser Methoden ergänzen sich zu einem schlüssigen Bild über die ablaufenden Reaktionen und den Reaktionsmechanismus. Der Ablauf einer Dünnfilmreaktion im System Cr/Se ist in Abbildung 3 schematisch dargestellt.



Abb. 3
: Vorschlag für den Mechanismus einer typischen Dünnfilmreaktion. Wesentliche Reaktionsschritte sind die Interdiffusion der Multischichten (D) und die Kristallisation des Produktes (K).


Ausgewählte Literatur:

Design and construction of a low-cost deposition system for thinfilm multilayers
K. Lukoschus, S. Kraschinski, S. Herzog, W. Bensch
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Low temperature syntheses of chromium tellurides using superlattice reactants: Crystallisation of layered CrTe3 at 100 °C and the decomposition into Cr2Te3.
S. Kraschinski, S. Herzog, W. Bensch
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The Reactivity of Cr-Te Superlattice Reactants and of Co-deposited Cr-Te Films: Studies with in-situ X-ray Diffractometry
S. Herzog, S. Kraschinski, W. Bensch
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Synthesis of Thin Cr3Se4 Films from Modulated Elemental Reactants via Two Amorphous Intermediates: A Detailed Examination of the Reaction Mechanism
M. Behrens, R. Kiebach, W. Bensch, D. Häussler, W. Jäger
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Kooperationspartner:

Prof. Dr. Lorenz Kienle, Technische Fakultät, Kiel

Ansprechpartner: Matthias Regus