In-situ Tracer Diffusion in Solids
Final Report Abstract
Im Rahmen der Arbeiten wurden erstmals erfolgreich Tracer-Selbstdiffusionsexperimente in Festkörpern in-situ während des Glühprozesses mittels Isotopenaustausch und Fokussierender Neutronenreflektometrie realisiert. Im Rahmen einer Fallstudie wurden die bisher unbekannten Selbstdiffusionskoeffizienten von amorphem Germanium quasikontinuierlich in Abhängigkeit von der Glühzeit bei verschiedenen Temperaturen untersucht. Es zeigte sich eine Abnahme des Diffusionskoeffizienten in Abhängigkeit von der Glühzeit um eine Größenordnung, die auf strukturelle Relaxation und die damit verknüpfte Annihilation von Punktdefekten zurückgeführt wird. Im metastabilen Gleichgewichtszustand folgen die Diffusionskoeffizienten zwischen 375 und 412 °C dem Arrheniusgesetz mit einer Aktivierungsenergie von 2.1 ± 0.1 eV. Die Diffusionskoeffizienten sind fünf Größenordnungen höher als in Germanium-Einkristallen, was auf einen unterschiedlichen Diffusionsmechanismus in beiden strukturellen Zuständen hindeutet. Weiterhin wurde das Mischsystem Si1-xGex vertieft untersucht. Es zeigte sich, dass mit zunehmenden Si-Gehalt die Diffusion langsamer wird und die Aktivierungsenergie bis zum Maximalwert auf 4.4 eV zunimmt (x = 0). Im Rahmen der Arbeiten zeigten sich folgende Vorteile der In-situ-Vorgehensweise im Vergleich zu klassischen Ex-situ-Experimenten: (a) Identifizierung und kontinuierliche Erfassung zeitabhängiger Diffusionskoeffizienten, (b) signifikante Reduzierung der Fehlergrenzen sowie (c) substantielle Reduzierung der Experimentierzeit. Zudem wurde basierend auf den obigen Ergebnissen ein neuartiger methodischer Ansatz entwickelt, der es erlaubt, Aktivierungsenergien der Diffusion in einem einzigen isochronen Experiment zu bestimmen und nicht wie klassisch üblich anhand mehrerer isothermer Experimente. Dieser Ansatz führt zu einer weiteren extremen Zeitersparnis bei der Experimentierzeit und zu einem deutlich erhöhten Probendurchsatz.
Publications
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In-situ Measurement of Self-Atom Diffusion in Solids Using Amorphous Germanium as a Model System. Scientific Reports, 8(1).
Hüger, Erwin; Strauß, Florian; Stahn, Jochen; Deubener, Joachim; Bruns, Michael & Schmidt, Harald
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In-situ Measurement of Tracer Diffusivities in Solids using Neutron Reflectometry, Conference on Diffusion in Solids and Liquids (DSL 2018), Amsterdam, Niederlande (Vortrag)
E. Hüger, F. Strauß, J. Stahn & H. Schmidt
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Self-diffusion in Amorphous Semiconductors - Studies with Neutron Reflectometry, 8th Conference Gettering and Defect Engineering in Semiconductor Technology (GADEST 2019) Zeuthen (eingeladener Vortrag)
F. Strauß, E. Hüger & H. Schmidt
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Activation energy of diffusion determined from a single in-situ neutron reflectometry experiment. Materials Research Letters, 11(1), 53-59.
Hüger, Erwin; Stahn, Jochen & Schmidt, Harald
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Activation energy of diffusion determined from a single in-situ neutron reflectometry experiment, European Conference on Neutron Scattering 2023 (ECNS 2023), Garching (Poster)
E. Hüger, J. Stahn & H. Schmidt
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Analysis of the Diffusion in a Multilayer Structure under a Constant Heating Rate: The Calculation of Activation Energy from the In Situ Neutron Reflectometry Measurement. ACS Omega, 8(30), 27776-27783.
Yang, Fuqian; Schmidt, Harald & Hüger, Erwin
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Diffusion Experiments with SIMS, IR and NR: From Lithium Metal Oxides to Amorphous Semiconductors, 3rd ELSICS Workshop and Bunsen-Colloquium 2023, Ulm, Germany (eingeladener Vortrag)
H. Schmidt
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In-situ Neutron Reflectometry to Determine Ge Self-Diffusivities and Activation Energy of Diffusion in Amorphous Ge0.8Si0.2. EPJ Web of Conferences, 286(2023), 05002.
Hüger, Erwin; Stahn, Jochen & Schmidt, Harald
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Self-Diffusion of Ge in Amorphous GexSi1–x Films Studied In Situ by Neutron Reflectometry. ACS Materials Au, 4(5), 537-546.
Hüger, Erwin; Stahn, Jochen & Schmidt, Harald
