Oberflächenmodifikation von Silizium auf der Nanometerskala

• Antragsteller: Professor Dr. Martin Ezequiel Garcia; Professor Dr. Alexander Horn
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 505225793

Innerhalb des Projektes wird die Wechselwirkung von Silizium mit ultrakurz gepulster Laserstrahlung mittels zeitaufgelöster Messtechnik und theoretischer Simulationen untersucht. Dadurch soll nicht nur die Effizienz des Lasermikro- und Nanostrukturierens verbessert, sondern auch neue Anwendungsmöglichkeiten gefunden werden. Dafür entwickeln wir ein hybrides atomistisch-kontinuierliches Multiskalenmodell, das mehrere numerische Techniken in einem einzigen mesoskopischen Berechnungsansatz kombiniert. Das Modell berücksichtigt 5 physikalische Phänomene: Erstens den MD-Teil zur Beschreibung der laserinduzierten transienten Zustände auf atomarer Ebene. Zweitens die Auswirkung der durch den Laser erzeugten freien Ladungsträger (Elektron-Loch-Paare), die im Kontinuum berücksichtigt werden. Drittens: nicht-thermische Phasenübergänge durch ein neu entwickeltes interatomares Potential. Viertens, die Auswirkung der SPP-Anregung auf die Laserenergiedeposition. Und schließlich die CGMD-Methode zur Modellierung großer Materievolumina bei geringer Anregung und laserinduzierten Phasenübergängen unter lokalen Gleichgewichtsbedingungen. Darüber hinaus können die durch Multipulse induzierten Strukturen (LIPSS) in ab initio Berechnungen gesondert auf ihre optischen Eigenschaften hin untersucht werden. Die theoretischen Simulationen werden durch spektroskopische, abbildende Pump-Probe-Ellipsometrie validiert, die eine umfassende Bestimmung des transienten komplexen Brechungsindexes bei der Bestrahlung ermöglicht. Die Untersuchung der Strukturierungsprozesse an der Si-Oberfläche und der optischen Eigenschaften erfordert somit eine Verknüpfung folgender theoretischer und experimenteller Ziele: Theoretische Ziele:1) Modellentwicklung zur Beschreibung der Wechselwirkung ultrakurzer Laserpulse mit Halbleitern am Beispiel von Si2) Validierung der Modelle mit den experimentellen Messungen3) Untersuchung der Rolle von nicht-thermischen Prozessen, die an den laserinduzierten Phasenübergängen in Si beteiligt sind4) Entwicklung einer Methodik für die Gestaltung von Experimenten zur Erzeugung von Si-Oberflächen mit gewünschten optischen EigenschaftenExperimentelle Ziele:1) Erweiterung des Spektralbereichs des Pump-Probe-Setups in den UV-Bereich.2) Umfassende Untersuchung des transienten komplexen Brechungsindexes3) Entwicklung eines optischen Gradientenindexmodells durch Vergleich von Experiment und Simulation4) Bestimmung des transienten komplexen Brechungsindex bei der LIPSS-BildungDas Projekt untersucht Si als Vertreter einer großen Gruppe von Halbleitern. Eine Reihe der in diesem Projekt erzielten Ergebnisse kann daher auf In, As, Ge und andere Materialien ausgedehnt werden, die in der Mikroelektronik und den Nanotechnologien von Bedeutung sind. Das grundlegende Verständnis der laserinduzierten Prozesse macht die gezielte Beeinflussung der optischen Eigenschaften von Si und die Entwicklung einer neuen Generation elektronischer Geräte auf der Nanoskala möglich.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen