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Kristallwachstum direkt beobachtet

Homoepitaktisches Wachstum

Hier bestehen die Unterlage und die wachsende Schicht aus dem gleichen Material.

Monte Carlo Simulation des Wachstums einer Fe(110) Oberfläche

 


 

Beim Wachstum einer Kristalloberfläche sind die Diffusionsprozesse einzelner Atome auf der Oberfläche von entscheidender Bedeutung. In der Simulation wird die Bewegung der Atome im Computer nachgebildet. Bei dieser Simulation des Wachstums einer Fe(110)-Oberfläche können die Eisenatome eine nach unten gehende Stufe nicht überwinden, die Oberfläche wird zunehmend rauer.
(C. Jensen, C. Wolf, M. Kneppe, M. Richter, M. Berse, U. Köhler)
Wachstum einer Fe(110) Oberfläche bei Raumtemperatur

 


 

Entsprechend der Anordnung der Atome auf diesem Substrat entstehen längliche Inseln. Wie in der obigen Simulation wird die Oberfläche beim Wachstum immer rauher, da die Eisenatome nicht in tiefere Lagen springen können, um eine glatte Schicht zu bilden. Es entstehen dreidimensionale Inseln, die von tiefen Gräben getrennt werden.
(C. Jensen, U. Köhler)
Wachstum einer Fe(100) Oberfläche bei 420°C

 


 

Auf dieser Eisenoberfläche zeigen die entstehenden Inseln entsprechend der Symmetrie der Unterlage eine quadratische Form. Bei der für eine Metalloberfläche hohen Temperatur können Atome, die auf einer höheren Lage landen, in eine tiefere springen. So schließt sich die jeweils unterste Lage, bevor die nächste anfängt zu wachsen. Der Kristall wächst in perfekter Form Lage für Lage.
Auf dem gestuften Gebiet unten im Bild entstehen keine Inseln, sondern der Kristall wächst hier ausschließlich durch Wanderung der Stufen.
(W. Breilmann, R. Göbel, C. Wolf, U. Köhler)
Wachstum einer Si(111) Oberfläche bei 485°C

 


 

Auf dieser Siliziumfläche kann die wachsende Schicht die Unterlage nur sehr schwer bedecken. Die dreieckigen Keime wachsen deshalb mehrlagig in die Höhe. Links in der Mitte ist ein Defekt entstanden (dreieckiger Bereich, nach unten zeigend), der wärend des weiteren Wachstums bestehen bleibt.
(L. Anderson, U. Köhler)
Wachstum an einer Störung in einer Kupferschicht

 


 

Kristallbaustörungen wie z.B. Versetzungen bilden oft bevorzugte Anlagerungsplätze für neues Material während des Wachstums. Die Sequenz zeigt das spiralförmige Wachstum in die Höhe um eine Schraubenversetzung herum.
(C. Jensen, K. Reshöft, U. Köhler)

 

Heteroepitaktisches Wachstum

Hier bestehen die Unterlage und die wachsende Schicht aus unterschiedlichen Materialien. Wenn die Gitterkonstanten
der beiden Materialien nicht genau zusammenpassen, ergeben sich zusätzliche Effekte beim Wachstum.

Wachstum von Eisen auf einer W(110) Unterlage bei Raumtemperatur

 


 

Da Eisen eine 10% kleinere Gitterkonstante als Wolfram hat, entstehen Störungen in der Kristallordnung der Eisenschicht (Versetzungsnetzwerk, sichtbar als Muster auf der Schicht), wenn sich die unterschiedlichen Gitter aneinander anpassen. Diese Störungen sind auf den Grenzbereich der beiden Materialien beschränkt. Deshalb nimmt der Kontrast des Versetzungsmusters ab, wenn weitere Eisenlagen wachsen.
(C. Jensen, U. Köhler)
Details der Entstehung eines Versetzungsnetzwerks

 


 

Dieses Netzwerk entsteht, wenn sich beim Wachstum von Eisen auf Wolfram die unterschiedlichen Gitter aneinander anpassen. Auf Störungen in der zweiten Lage der Eisenschicht bilden sich viele kleine Wachstumskeime; wenn diese zusammenwachsen, formt sich nach und nach ein geordnetes Netzwerk von Versetzungen.
(C. Jensen, U. Köhler)
Wachstum von Kupfer auf W(110) bei Raumtemperatur

 


 

Sobald ein Kupferatom eine Kupferinsel erreicht, wird es so fest gebunden, dass es nicht mehr am Rand dieser Insel entlang diffundieren kann. So kann sich keine kompakte Inselform bilden, es entsteht fraktales Wachstum.
(C. Jensen, K. Reshöft, U. Köhler)
Wachstum von Kupfer auf W(110) bei Raumtemperatur bis zur 8. Lage

 


 

Bei diesem System erstreckt sich die Anpassung der unterschiedlichen Kristallgitter über fünf Lagen, in denen jeweils eine eigene charakteristische Stuktur vorliegt. Erst ab der fünften Kupferlage sind die für diese Kupferorientierung typischen sechseckigen Formen zu erkennen.
(C. Jensen, K. Reshöft, U. Köhler)
Wachstum von Holmium auf einer W(110) Unterlage bei Raumtemperatur

 


 

Nachdem eine Schicht Holmium die Unterlage komplett bedeckt, wächst das weitere Material in Form von dreidimensionalen Inseln. Hier hat das Holmium bereits seine eigene Gitterstruktur angenommen, was daran ersichtlich wird, dass sich die Inselformen in jeder Lage um 180° drehen.
(R. Göbel, C. Jensen, C. Wolf, G. Piaszenski, U. Köhler)

 

Legierungsbildung

Bestehen die Unterlage und die wachsende Schicht aus unterschiedlichen Materialien, die sich zusätzlich miteinander mischen (eine Legierung bilden), wird die Unterlage beim Wachstum angegriffen.

Wachstum von Eisensilizidkeimen (Eisen-Silizium-Legierung) auf Si(111) bei 470°C

 


 

Da der Oberfläche nur Eisen angeboten wird, die Inseln aber aus Eisen und Silizium bestehen, muss während des Wachstums Silizium aus der Unterlage herangezogen werden. Die Sequenz zeigt eine Siliziumunterlage mit mehreren Stufen, an denen sich die Eisensilizidkerne bilden. Gleichzeitig ziehen sich die Stufen zurück, da hier Silizium entfernt und in die Insel eingebaut wird.
(K. Reshöft, U. Köhler)

 

Wachstum von Eisensilizidkeimen (Eisen-Silizium-Legierung) auf Si(111) bei 450°C

 


 

Liegen die Stufen der Unterlage sehr weit auseinander, wird beim Wachstum der Eisensilizidinseln die Unterlage schichtweise abgetragen und das Silizium diffundiert in die Silizidinseln.
(V. Dorna, U. Köhler)

 

Wachstum von Eisensilizidkeimen auf einer fehlgeneigten Si(5 5 12) Fläche

 


 

Auf dieser Orientierung der Siliziumoberfläche verläuft das Wachstum des Eisensilizids grundlegend anders als auf der (111)-Fläche. Nachdem sich das Eisen in der ersten Lage flächendeckend mit der Siliziumunterlage gemischt hat, bilden sich im folgenden nahezu eindimensionale Silizidinseln.
(M. Kneppe, U. Köhler)

 

Bildung von ungeordneten Siliziumkarbidkeimen (Silizium-Kohlenstoff-Legierung) auf Silizium bei 630°C
während der Reaktion mit Methan

 


 

Bei der Zersetzung des Methans wird wie bei der Silizidbildung aus der Unterlage lagenweise Silizium entfernt, das sich mit dem Kohlenstoff des Methans mischt.
(F. Schäfer, U. Köhler)