FOR 845: Self-Organised Nanostructures by Low-Energy Ion Beam Erosion
Final Report Abstract
Das Forschungsziel der ortsverteilten Forschergruppe war es, ein grundlegendes Verständnis für die Nanostrukturierungsprozesse auf bevorzugt Halbleiteroberflächen durch niederenergetische Ionenstrahlen (bis einige keV) zu gewinnen. Dieses Verständnis soll alle Aspekte der Nanostrukturierung durch Ionenstrahlen umfassen, von einer Beschreibung der atomistischen Effekte bei der Ionenbestrahlung mittels experimenteller Untersuchungen und theoretischer Simulationen, über die Untersuchung der Strukturbildungsprozesse auf mesoskopischer Skala und ihre Beschreibung durch adäquate theoretische Modelle bis hin zur Exploration von ausgewählten potenziellen Anwendungen. Systematische Untersuchungen der Oberflächentopographie und Dynamik der Strukturentwicklung bei unterschiedlichen Erosionsparametern (Ionenenergie, Ionenfluenz, Einfallswinkel, Targetrotation) und Substrattemperaturen wurden realisiert und die beteiligten Selbstorganisationsphänomene detailliert untersucht. Eine Besonderheit der Forschergruppe war die starke inhaltliche Fokussierung, die u.a. ihren Ausdruck auch in einer Konzentration auf eine kleine Klasse von experimentell zu untersuchenden Materialien (bevorzugt Si- und Ge-Oberflächen) fand. Von theoretischer Seite stellt die Erklärung der diversen Oberflächenstrukturen und ihrer raumzeitlichen Evolution eine besondere Herausforderung dar. In der Forschergruppe wurden einerseits atomistische Simulationen über molekulardynamische und kinetische Monte-Carlo-Methoden und andererseits Kontinuumsmodelle für die raumzeitliche Entwicklung angewandt. Dabei wurde durch sukzessive Erweiterung, Modifikation und Berücksichtigung gewonnener experimenteller Details ein weitgehend umfassendes theoretisches Bild der strukturbildenden Eigenschaften bei Ionenstrahlerosion für die Oberflächentopographie angestrebt. Experimentell wurde ionenbeschussinduzierten Musterbildung auf Si- und Ge-Oberflächen untersucht, wobei der Einfluss aller wichtigen Kontrollparameter (Einfallswinkel, Energie, Ionenspezies, Fluenz, Probenrotation) in verschieden Teilvorhaben detailliert aufgeklärt wurde. Weiterhin wurden die Wirkmechanismen der metallischen Verunreinigungen für die Musterbildung bestimmt und als Funktion von chemischer Spezies, Konzentration, Temperatur, Depositionsgeometrie und -verfahren untersucht. Mit den erworbenen Kenntnissen können nun klare Prognosen getroffen werden, welche Bedingungen gewählt werden müssen, um ein bestimmtes Muster zu erzeugen. Stärker applikativ orientiert waren die Untersuchungen zur Musterbildung auf Quarzglas- und Saphiroberflächen bei Verwendung von Ne, Ar, Kr und Xe als Ionenspezies im Energiebereich ≤ 2 keV. Die strukturierten Oberflächen zeigen interessante optischer Eigenschaften, wobei die Entspieglung der genannten Materialien im Zentrum des Interesses stand. Ebenfalls sehr intensiv wurde die Herstellung von selbstorganisierten Strukturen auf halbleitenden Oberflächen nach Bestrahlung mit schweren Wismut-Ionen untersucht.
