Oberflächenprozesse und -strukturen bei Laserdeposition

Die Erzeugung dünner oder ultradünner Schichten mittels gepulster Laserdeposition (engl. pulsed laser deposition, PLD) bietet zahlreiche Vorteile gegenüber der konventionellen Technik, Schichten durch Aufdampfen zu erzeugen. Ziel des Projekts ist es, die bei PLD von Metallschichten auftretenden Prozesse und die Struktur der damit erzeugten Schichten besser zu verstehen, und so einerseits eine solide Wissensbasis für zukünftige Anwendungen der PLD zu schaffen, andererseits sind diese Erkenntnisse aber auch für andere Methoden der Dünnschichttechnologie wie z.B. Kathodenzerstäuben von Bedeutung. Das Projekt soll auch tieferen Einblick in die Physik von Metallschichten im Nanometer- und Subnanometer-Längenbereich liefern. Zur Untersuchung soll vor allem Rastertunnelmikroskopie (engl. scanning tunneling microscopy, STM) mit atomarer Auflösung und chemischem Kontrast angewendet werden, eine Technik, mit der sowohl die geometrische als auch die chemische Struktur auf atomarer Ebene abgebildet werden kann. Damit werden mikroskopische Prozesse beim Schichtwachstum wie z.B. Implantation von Atomen in die Oberfläche und Durchmischung von Substrat- und Schichtmaterial direkt der Beobachtung zugänglich. Diese Technik, zusammen mit Messungen der Energieverteilung der vom Laserstrahl abgetragenen Teilchen, soll auch eine genaue Antwort auf die Frage liefern, warum mittels PLD erzeugte Schichten glatter als konventionell hergestellte sind, also warum mit PLD lagenweises Schichtwachstum erreicht werden kann. Weiters soll die Struktur der erzeugten Schichten untersucht werden, was insbesondere bei Eisenschichten auf Kupfer von hohem Interesse ist, weil bei Eisen Struktur und Magnetismus der Schichten miteinander eng verknüpft sind. Schließlich ist geplant, mittels PLD erzeugte Legierungsschichten zu untersuchen, wobei auch hier die Möglichkeit ausgenutzt werden soll, für jedes Atom der Oberfläche zu bestimmen, welchem chemischen Element der Legierung es zugeordnet werden kann.

Pulsed Laser Deposition (PLD) ist eine vielseitig anwendbare Methode, dünne Schichten zu erzeugen und zeichnet sich durch eine Reihe von Vorteilen gegenüber thermischem Verdampfen (engl. thermal deposition, TD) aus. Bei PLD wird der Strahl eines gepulsten, leistungsstarken Lasers auf ein Material (Target) gerichtet; dadurch wird dieses abgetragen und trifft auf dem zu beschichtenden Substrat auf. Im Gegensatz zu TD treffen die abgetragenen Teilchen bei PLD impulsweise auf die Oberfläche und haben mehr als die hundertfache Energie. In diesem Forschungsprojekt konnte gezeigt werden, dass beide dieser Eigenschaften von Bedeutung sind und es konnten die damit zusammenhängenden Prozesse beim Schichtwachstum bestimmt werden. Einige Resultate sind auch für die in der Industrie weit verbreitete Methode der Beschichtung mittels Sputterdeposition (Kathodenzerstäubung) von Bedeutung. Im Gegensatz zu früheren Arbeiten konnten wir die durch den Laser emittierten neutralen Atome direkt messen und fanden dabei, dass diese nur einen sehr kleinen Teil des abgetragenen Materials ausmachen; der Großteil des Materials trifft auf dem Substrat in Form energiereicher Ionen auf. Trotzdem hat die Energie der Ionen in den frühen Stadien des Schichtwachstums von Platin auf einer wohldefinierten Platinoberfläche nur relativ geringe Bedeutung, viel wichtiger ist, dass viele Ionen innerhalb sehr kurzer Zeit auftreffen und dann viel eher einen Bindungspartner auf der Oberfläche finden als beim kontinuierlichen Aufdampfen. Nur Ionen mit den höchsten Energien (200 eV oder mehr) erzeugen beim Auftreffen auf der Oberfläche genug Defekte, um das Wachstum der Schicht zu beeinflussen. In jedem Fall sind die mittels PLD erzeugten Strukturen im Nanometer-Bereich viel feiner als bei TD; und wir konnten zeigen, dass daher mit PLD glattere Schichten als mit TD erzeugt werden können. Wenn sich das Material der Schicht vom Substrat unterscheidet, spielt die Energie der Ionen bei PLD eine große Rolle: Die einfallenden Ionen verdrängen oft ein Substratatom und werden in die Oberfläche eingebaut, wodurch eine gemischte (heterogene) Oberfläche entsteht. Die unterschiedlichen Bindungsplätze auf einer solchen Oberfläche beeinflussen das weitere Schichtwachstum; daher unterscheiden sich die Schichten von TD und PLD. Wir konnten auch Details der Kristallstruktur ultradünner Eisenschichten auf zwei Typen von Kupferoberflächen beobachten. Die unterschiedlichen Strukturen der TD- und PLD-Schichten sind für die magnetischen Eigenschaften von großer Bedeutung.