Erzeugung, Charakterisierung und Optimierung von lateralen Nanostrukturen mittels elektronenstrahlinduzierter Abscheidung von adsorbierten Molekülen

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Hubertus Marbach
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2007 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 36924685

• Erstellungsjahr: 2016

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Basierend auf den teilweise überraschenden Erkenntnissen der ersten Förderperiode haben wir in der zweiten Förderperiode unsere Untersuchungen zur Herstellung von Nanostrukturen mittels elektronenstrahlinduzierter Prozesse fortgesetzt und signifikant erweitert. Dies betrifft vor Allem das von uns entwickelte neuartige Verfahren der elektronenstrahlinduzierten Oberflächenaktivierung (Electron Beam Induced Surface Activation, EBISA). EBISA wird in zwei Schritten durchgeführt: zunächst wird bei der „Belichtung“ eine geeignete Oberfläche mit einem fokussiertem Elektronenstrahl beleuchtet und damit lokal aktiviert; in einem nächsten „Entwicklungsschritt“ wird ein Prekursormolekül über die Gasphase dosiert und katalytisch an den aktivierten Bereichen abgeschieden, um bei andauernder Prekursordosierung autokatalytisch weiterzuwachsen. In der zweiten Förderperiode konnte der zunächst für die Materialkombination Fe(CO)5 als Prekursor und Siliziumoxid als Substrat gezeigte EBISA Prozess auf eine Reihe weiterer Materialkombinationen erweitert werden. Neben weiteren Oxidoberflächen (z.B. TiO2) konnte EBISA auch auf dünnen organischen Schichten auf unterschiedlichen Substraten demonstriert werden. Weiterhin wurde mit Co(CO)3NO ein neues für EBISA geeignetes Prekursormolekül untersucht. Dabei wurden eine Reihe relevanter und neuartiger Beobachtungen gemacht, wie z.B. unterschiedliche Selektivitäten der Prekursormoleküle für EBISA auf diversen Substratoberflächen. Diese Beobachtung in Zusammenhang mit autokatalytischen Wachstumsprozessen kann genutzt werden um neue Strategien zur gezielten Herstellung von Nanostrukturen zu entwickeln. Ein weiterer Gegenstand war die Untersuchung fundamentaler Elektronenstreuprozesse in den jeweiligen Substraten. Dafür wurden EBISA Punktbelichtungen mit unterschiedlichen Elektronendosen genutzt, um den Effekt der rückgestreuten Elektronen zu studieren. Im Rahmen diese Untersuchungen konnten wir einen neuartigen „Proximity-Effekt“ auf dünnen (z.B. 200 nm) Siliziumnitritmembranen beschreiben und auf spezifische Aufladungsprozesse zurückführen. Speziell mit dem Precursor Fe(CO)5 konnten reine Eisenabscheidungen hergestellt werden. Die Untersuchung der entsprechenden physikalischen und chemischen Eigenschaften erfolgte mit unterschiedlichen Methoden, welche teilweise auf Synchrotron-Röntgenstrahlung basieren. Neben den quantitativen Magnetotransport-Eigenschaften und der formabhängigen magnetischen Koerzivität konnte auch ein niedriger elektrischer Widerstand der entsprechenden Eisenabscheidungen bestimmt werden. Insgesamt konnten in dem abgeschlossenen Projekt die Möglichkeiten der lithografischen Erzeugung von wohldefinierten Nanostrukturen mittels eines fokussierten Elektronenstrahls im UHV erheblich erweitert werden. Die erzeugten Strukturen zeigen überdies Eigenschaften, die sie potentiell für verschiedenste Anwendungen geeignet erscheinen lassen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Electron-beam-induced deposition and post-treatment processes to locally generate clean titanium oxide nanostructures on Si(100), Nanotechnology, 22 (2011) 085301
  M. Schirmer, M.-M. Walz, F. Vollnhals, T. Lukasczyk, C. Chen, H.P. Steinrück and H. Marbach
  
• Fabrication of layered nanostructures by successive electron beam induced deposition with two precursors: protective capping of metallic iron structures. Nanotechnology, 22 (2011) 475304
  M. Schirmer, M.-M. Walz, C. Papp, F. Kronast, A. X. Grey, B. Balke, S. Cramm, C. S. Fadley, H.P. Steinrück and H. Marbach
  
• Generation of clean iron nanocrystals on an ultra-thin SiOx film on Si(001). Physical Chemistry Chemical Physics, 13 (2011) 17333
  M.-M. Walz, M. Schirmer, F. Vollnhals, T. Lukasczyk, H.P. Steinrück and H. Marbach
  
• Magnetotransport properties of iron microwires fabricated by focused electron beam induced autocatalytic growth, Journal of Physics D: Applied Physics, 44 (2011) 425001
  F. Porrati, R. Sachser, M.-M. Walz, F. Vollnhals, H.P. Steinrück, H. Marbach and M. Huth
  
• Methylated [(arene)(1,3-cyclohexadiene)Ru(0)] complexes as low-melting MOCVD precursor complexes with a controlled follow-up chemistry of the ligands. Journal of Materials Chemistry, 21 (2011) 3014
  I. Jipa, K. Danova, N. Popovska, M. A. Siddiqi, R. A. Siddiqui, B. Atakan, T. Cremer, F. Maier, H. Marbach, H.-P. Steinrück, F. W. Heinemann and U. Zenneck
  
• Defects in oxygen-depleted titanate nanostructures, Langmuir, 28 (2012) 7851
  A. Vittadini, M. Schirmer, M.-M. Walz, F. Vollnhals, T. Lukasczyk, H.P. Steinrück, H. Marbach, M. Elser, B. Schürer, A. Riss and O. Diwald
  
• Investigation of proximity effects in electron microscopy and lithography, Applied Physical Letters, 100 (2012) 053118
  M.-M. Walz, F. Vollnhals, F. Rietzler, M. Schirmer, H.P. Steinrück and H. Marbach
  
• Thin membranes vs. bulk substrates: investigation of proximity effects in focused electron beam induced processing, Journal of Physics D: Applied Physics, 45 (2012) 225306
  M.-M. Walz, F. Vollnhals, F. Rietzler, M. Schirmer, A. Kunzmann, H.P. Steinrück and H. Marbach
  
• Electron Beam-Induced Writing of Nanoscale Iron Wires on a Functional Metal Oxide, Journal of Physical Chemistry C, 117 (2013) 17674
  F. Vollnhals, T. Woolcot, M.-M. Walz, S. Seiler, H.-P. Steinrück, G. Thornton and H. Marbach
  
• Electron-Beam Induced Surface Activation of ultrathin porphyrin layers on Ag(111), Langmuir, 29 (2013) 12290
  F. Vollnhals, P. Wintrich, M.-M. Walz, H.-P. Steinrück and H. Marbach
  
• Electron beam induced surface activation: a method for the lithographic fabrication of nanostructures via catytic processes. Applied Physics A, 117 (2014) 987
  H. Marbach
  
• Electron Beam-Induced Deposition and Autocatalytic Decomposition of Co(CO)3NO. Beilstein Journal of Nanotechnology, 5 (2014) 1175
  F. Vollnhals, M. Drost, F. Tu, E. Carrasco, A. Späth, R. H. Fink, H.-P. Steinrück and H. Marbach
  
• O2 Adsorption dependent Photoluminescence Emission from Metal Oxide Nanoparticles. Physical Chemistry Chemical Physics, 16 (2014) 23922
  A. R. Gheisi, C. Neygandhi, A. K. Sternig, E. Carrasco, H. Marbach, D. Thomele and O. Diwald