Einfluss der Energie der schichtbildenden Teilchen auf die Eigenschaften dünner Filme mit säulenartiger Struktur
Beschichtungs- und Oberflächentechnik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Vorhabens ist es, neue Erkenntnisse zum Verständnis der Zusammenhänge zwischen der Energie der schichtbildenden Teilchen und den Eigenschaften dünner Filme mit säulenartiger Struktur (SCTFs) zu generieren. SCTFs bestehen aus dreidimensional, stark kohärent geordneten Nanostrukturen die durch Glanzwinkeldeposition (GLAD) in Verbindung mit verschiedenen PVD-Techniken hergestellt werden. Nach Erweiterung der bestehenden UHV-Anlage am CNFM um die Möglichkeit der Ionenstrahlzerstäubun wurden Ti-SCTFs mittels Elektronenstrahlverdampfen mit verschiedenen Wachstumsraten sowie mit Ionenstrahlschichtabscheidung mit unterschiedlichen Energien der primären Argonionen abgeschieden. Die dabei erzeugte Filme wiesen deutlich Unterschiede bezüglich ihrer strukturellen und optischen Eigenschaften auf. Während das Elektronenstrahlverdampfen deutlich höhere Wachstumsraten und damit niedrigere Abscheidezeiten zeigte, ließen sich durch die Verwendung der Ionenstrahlzerstäubung Schichten mit einem höheren Volumenanteil an Titan erzeugen. Auch das Auffächern wird bei der Verwendung der Ionenstrahlschichtabscheidung effektiv unterdrückt, was die Nutzbarkeit der Schichten erhöht. Die beobachteten Effekte lassen sich auf Unterschiede in der Oberflächenmobilität zurückführen, die als Kombination aus der Energie der Teilchen an der Oberfläche und deren Verweilzeit (umgekehrt proportional zur Wachstumsrate) gesehen werden kann. Die Installation eines adaptiven in-situ Spiegel-Systems zur Überwachung des SCTF- Wachstums mittels spektroskopischer Ellipsometrie wurde ebenfalls im Rahmen des Projekts umgesetzt. Zur Demonstration des adaptiven in-situ Optik-Systems wurde während des Wachstums von SCTFs bei der GLAD-Deposition von elektronenstrahlverdampftem Titan die SCTF-Schichtdicke sowie der Volumenanteil kontinuierlich gemessen. Neben der Abscheidung von monoatomaren SCTFs wurden im Rahmen des Projekts auch zahlreiche Schichten abgeschieden, bei denen es durch die Kombination verschiedener PVD-Schritte oder auch Techniken zum Wachstum von heterostrukturierten Filmen säulenartiger Struktur (SCHTFs) kam. Hierbei zeigten SiAu-SCHTFs ein bis zwei anisotrope Plasmonen-Resonanz-Energien entlang der Wachstumsachse der Säulen. Die beobachteten Energien zeigten dabei eine deutliche Abhängigkeit von der Dicke des SCHTFs und weisen eine lineare Abhängigkeit von der optischen Länge der SCHTFs auf. Die Herstellung dieser Übergitterstrukturen eröffnet viele weitere neue Möglichkeiten für magnetische, photokatalytische, photoelektrische und anodische Anwendungen, von denen verschiedene im Rahmen des Stipendiums getestet werden konnten. Neben dem Aneignen der nötigen Techniken und Kenntnisse für die GLAD mittels Elektronenstrahlverdampfen konnte der Antragsteller im Rahmen des Stipendiums umfangreiche Kenntnisse in der optischen Charakterisierung anisotroper dünner Schichten und in der Elektronenmikroskopie erlangen. Auch in der Atomlagenabscheidung und im Anlagenbau konnte neue Kenntnisse hinzugewonnen werden. Trotz des sehr erfolgreichen Projektverlaufs wurde das Stipendium zur Aufnahme einer Berufstätigkeit in Deutschland vorzeitig zurückgegeben.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Nanofabrication of GLAD Structures – A Comparison of Ion and Electron Beam Deposition Techniques, Southern California Conference for Undergraduate Research, 18.11.2017
J. Tran, M. Hilfiker,R. Feder, and E. Schubert
- Nanofabrication of GLAD Structures: A Comparison of Ion and Electron Beam Deposition Techniques, UNL Summer Research Program Fair, 2017
J. Tran, R. Feder, M. Hilfiker, E. Schubert
- Nanofabrication of GLAD Structures – A Comparison of Ion and Electron Beam Deposition Techniques, APS March Meeting 2018, Los Angeles, California, 05.03.-09.03.2018
J. Tran, R. Feder, M. Hilfiker, and E. Schubert
