Analyse-Kammer

• Fachliche Zuordnung: Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung in 2009
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 143893646

• Erstellungsjahr: 2019

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Anlage in ihrer jetzigen Ausbaustufe dient zum einen der Herstellung ultradünner Aufdampfschichten unter genauester Kontrolle der adsorbierten Mengen im Prozentbereich von Monolagen und unter Verwendung von bis zu drei Aufdampf-Komponenten gleichzeitig. Ein heizund kühlbarer Präzisionsmanipulator sorgt für einstellbare Temperaturen im Bereich von 80 bis 1000 K. Zum anderen können die entstandenen Schichten auf ihre Wachstumsmodi und Kristallinität mit Hilfe der Beugung langsamer Elektronenn überprüft werden. Zum dritten besteht über die Photoelektronenspektroskopie (XPS und UPS) in einer separaten Analysekammer die Möglichkeit der präzisen Vermessung der Zusammensetzung und der Analyse chemischer Verschiebungen, z.B. der Oxidationszustände eines Kompositmaterials. Viertens können mit Hilfe eines Elektronenstrahlverdampfers auch dicke Schichten, z.B. mechanisch robuste Passivierungsschichten, aufgebracht werden. Ein prominentes Beispiel für die erfolgreiche und wichtige Kombination dieser Methoden betrifft die Bildung von kristallinem Ba2SiO4 auf Si(100) mit Hilfe der genannten Methoden, ergänzt durch Elektronenmikroskopie und frequenzabhängigen elektrischen Messungen. Trotz völlig anderer Kristallsymmetrie im Vergleich zu Si (Ba2SiO4 ist tetragonal) gelingt kristallines Wachstum auf der reinen Si-fläche bei 650°C durch die Diffusion von Si in aufgewachsenes BaO. Die Gitteranpassung zumindest in einer Richtung scheint eine wichtige Rolle zu spielen, da dieses Wachstum mit dem ca. 4% kleineren Sr-Atom nur amorph erfolgt. Ba-Silikat erfüllt in erstaunlicher Weise schon jetzt einen erheblichen Teil der Anforderungen an ein alternatives Gate-Dielektrikum für die CMOS-Technologie: hohe thermische Stabilität (750°C), relative Dielektrizitätskonstante 22.8, geringe Tendenz der Wasseraufnahme, geringe Dichte an umladbaren Volumendefekten, akzeptable Leckstromdichten. Der unvermeidbare Konzentrationsgradient bei dieser Art Wachstum limitiert jedoch die maximale kristalline Schichtdicke auf ca. 5 nm und ist die wahrscheinliche Ursache für die noch zu hohe Defektkonzentration an der Grenzfläche. Die detaillierten Abhängigkeiten dieser Parameter von den Präparationsbedingungen unter Vermeidung von Si-Konzentrationsgradienten, einer wahrscheinlich entscheidenden Ursache für die atomare Rauigkeit der Grenzfläche und für die Störstellendichte, sind Gegenstand laufender Untersuchungen. Darüber hinaus wurden in Zusammenarbeit chemische Oberflächenspezies in einer Reihe von nanostrukturierten Materialien untersucht. Bespielhaft genannt seien die Identifikation von Oxidationszuständen in nur 5 Monolagen dicken CdSe/CdS Nanoplättchen, wobei CdSe den Kern und CdS die Umrandung bilden, sowie die quantitative Bestimmung der Mengen von Edelmetallen an quaternären Strukturen (zusätzlich Pt+Au). Diese edelmetalldekorierten Nanoplättchen erwiesen sich als effiziente Photokatalysatoren für die H2-Gewinnung unter Bestrahlung mit weißem Licht. Ein ähnlicher Ansatz wurde bei der photokatalytischen Zersetzung von Ameisensäure an BiFeO3-Nanopartikeln verfolgt, wo mit Hilfe von XPS das Verhältnis Fe3+: Fe2+ vor und nach der Reaktion vermessen, sowie die Veränderung der chemischen Zusammensetzung in den Nanopartikeln durch die Reaktion bestimmt wurde. Somit sind Hinweise auf die Stabilität der Photokatalysatoren und ihre Langzeitstabilität möglich.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Structural, Dielectric, and Interface Properties of Crystalline Barium Silicate Films on Si(100): A Robust High-k Material, Phys. Rev. Applied 5, 054006 (2016)
  S. Islam, K. R. Hofmann, A. Feldhoff, H. Pfnür
  
• (2017): Highly anisotropic electronic conductivity in PAN-based carbon nanofibers, J. Phys. Condens. Matter, 29, 494002 (2017)
  J. Aprojanz, M. Wehr, B. Dreyer, J. Wiegand, J. Baringhaus, J. Koch, R. Sindelar, C. Tegenkamp
  
• (2017): Hole injection enhancement in organic light emitting devices using plasma treated graphene oxide, Applied Surface Science 397, 144-151 (2017)
  P. Justin Jesuraj, R. Parameshwari, K. Kanthasamy, J. Koch, H. Pfnür, K. Jeganathan
  
• (2017): Improved hydrogen selectivity of Surface Modified Graphite (SMG) membranes: Permeation experiments and characterisation by micro-Raman spectroscopy, Journal of Membrane Science 528, 316-325 (2017)
  A. Wollbrink, C.H. Rüscher, K. Volgmann, J. Koch, A. Breuksch, C. Tegenkamp, J. Caro
  
• (2017): Synthesis of Ternary and Quaternary Au and Pt Decorated CdSe/CdS Hetero-nanoplatelets with Controllable Morphology, Advanced Functional materials 27, 1604685 (2017)
  S. Naskar, F. Lübkemann, S. Hamid, A. Freytag, A. Wolf, J. Koch, I. Ivanova, H. Pfnür, D. Dorfs, D. W. Bahnemann, N. C. Bigall
  
• Harvesting visible light with MoO3 nanorod modified by Fe(III) nanocluster for effective photocatalytic degradation of organic pollutants, Phys. Chem. Chem. Phys., 2018,20, 4538-454
  U. Alam, S. Kumar, D. Bahnemann, J. Koch, C. Tegenkamp, M. Muneer
  
• Shaping single atomic junctions in ultra-thin Ag structures by electromigration, Appl. Phys. Lett. 113, 013106 (2018)
  A. Chatterjee, T. Heidenblut, F. Edler, E.Olsen, J.P. Stöckmann, C.Tegenkamp, H. Pfnür
  
• Changes in the solid-state properties of bismuth iron oxide during the photocatalytic reformation of formic acid, Catalysis Today, 326, 22-29 (2019)
  Wegdan Ramadan, Ralf Dillert, Julian Koch, Christoph Tegenkamp, Detlef Bahnemann