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Die topologische Ordnung und ihr Zusammenhang zum atomaren Transport der Eigenatome in amorphen Materialien: Silizium und Germanium als Modellsysteme

Fachliche Zuordnung Experimentelle Physik der kondensierten Materie
Förderung Förderung von 2020 bis 2024
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 438446155
 
Erstellungsjahr 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Rahmen des Projekts wurde die lokale Struktur und die Dynamik von amorphem Silizium (a-Si) und amorphem Germanium (a-Ge) untersucht. Die durchgeführten Fluktuationselektronenmikroskopie (FEM) Experimente zur Charakterisierung der Struktur von a-Si und a-Ge liefern einen Beitrag zur Verbesserung der Methode. Die Ergebnisse legen dar, dass zahlreiche Aspekte die normalisierte Varianz, welches eine aus den FEM Messungen abgeleitete Größe ist und zur strukturellen Interpretation herangezogen wird, beeinflussen. Ein Störfaktor, den es bei FEM Messungen zu vermeiden gilt, sind Modifikationen der Struktur aufgrund des Elektronenstrahls. Fur a-Si und a-Ge ist es essentiell die Elektronenenergie so gering zu wählen, dass Verlagerungen von Atomen aufgrund des Strahls und weitere Effekte minimiert werden. Es wurde außerdem dargelegt, dass eine in der Vergangenheit häufig angewandte Methode zur Analyse der normalisierten Varianz, die sogenannte ’pair-persistence analysis’, sich als sehr anfällig gegenüber den Messeinstellungen erwies. Dadurch ist ein präziser Vergleich zwischen unterschiedlichen Datensätzen nur schwer möglich, oder unmöglich. Eine alternative und robustere Methode wurde angewendet und ihre Relevanz bestatigt. Die Messungen zur strukturellen Dynamik von a-Si und a-Ge mittels Elektronenkorrelationsmikroskopie (ECM) haben gezeigt, dass beide Materialien sehr anfällig gegenüber dem Elektronenstrahl sind. Durch diesen setzt die unerwünschte Kristallisation der beiden amorphen Materialien in bestrahlten Bereichen schneller als in unbestrahlten Bereichen ein. Weiterhin werden sowohl a-Si als auch a-Ge durch den Elektronenstrahl schrittweise abgetragen, sodass nach einer bestimmten Zeit die Stoffe sich in den bestrahlten Bereichen verflüchtigt haben. Ein weiterer, unerwünschter Einfluss ist Kontamination aufgrund der Probenpräparation mit einem ’Focused Ion Beam’ (FIB) Gerät. Diese Kontamination umfasst in erster Linie Platin und Kohlenstoff und konnte vermieden werden, wenn eine Probenherstellung ohne FIB realisiert werden konnte. Die ausgewerteten ECM Daten zeigen, dass die gemessene Dynamik in a-Si und a-Ge strukturell heterogen ist. So gibt es in beiden Materialien Bereiche mit Abmessungen von wenigen Nanometern mit relativ langsamer Dynamik, welche von einem zusammenhängenden Geflecht mit schnellerer Dynamik umgeben sind. Weiterhin zeigen die Daten überraschend, dass die durch ECM gemessene Dynamik von a-Si und a-Ge temperaturunabhängig ist. Dies ist entgegen der Erwartung und spricht dafür, dass die ermittelte Dynamik zum Großteil durch den Elektronenstrahl getrieben wird. Die strukturelle, rein thermisch aktivierte Dynamik ist in dem gemessenen Temperaturfenster in Wirklichkeit viel langsamer, so dass die durchgeführten ECM Messungen vollkommen von der strahlgetriebenen Dynamik und den Artefakten dominiert werden. Molekulardynamik-Simulationen (MD) zur epitaktischen Rekristallisation (SPER) und zur Selbstdiffusion (SD) von a-Si unter Verwendung von Stillinger-Weber-Potentialen und Tersoff-Potentialen wurden durchgeführt. Die berechneten Aktivierungsenthalpien für beide Prozesse zeigen große Ähnlichkeit, was nahelegt, dass beide Prozesse durch den gleichen oder vergleichbaren Mechanismus getrieben werden. Der Mechanismus der beiden Prozesse scheint durch lokale Umstrukturierungen von Atombindungen und/oder den Austausch benachbarter Atome bestimmt zu sein. Die Verwendung eines modifizierten Drei-Körper-Parameters im Stillinger-Weber-Potential führte zu MD-Ergebnissen, die besser mit den Messwerten übereinstimmen. An amorphen Isotopen modulierten Germaniumschichten wurden Diffusionsglühungen durchgeführt und anschließend die Diffusionsverbreiterung mit Flugzeitmassenspektrometrie (ToF-SIMS) ermittelt. Die Temperaturabhängigkeit der SD von a-Ge folgt einer Arrhenius-Gleichung. Die Aktivierungsenergie stimmt mit der des epitaktischen Rekristallisation überein, was auf einen identischen Mechanismus hindeutet. Dies legt nahe, dass die SD von a-Ge auch durch Bindungsumlagerungen getrieben ist. MD-Simulationen mit einem modifizierten Stillinger-Weber-Potential unterstützen den vorgeschlagenen atomaren Mechanismus.

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