Charakterisierung des homo- und heteroepitaktischen Kristallwachstums auf Erdalkalifluorid-Oberflächen

Abstract

Die gewonnenen Informationen über die Struktur und Eigenschaften dünner kristalliner Filme bieten eine Vielzahl praktischer und technologischer Anwendungen, die mit der Entwicklung in der Dünnschicht-Technologie verbunden sind. Hierzu zählen einerseits die Reflektions- und Antireflektionsbeschichtungen von Gläsern und Bildröhren, andererseits der Fortschritt in der Herstellung optoelektronischer Bauelemente, wie Halbleiterlaser oder Mikrochips. Aufgrund dieser Anwendungen ist die genaue Kenntnis des Wachstums und des mikroskopischen Aufbaus der entsprechenden Schichten erforderlich. Um diese sowie weitere grundlegende Abhängigkeiten zu erforschen, wurden in der folgenden Arbeit Versuche mit den beiden Erdalkalifluoriden Bariumfluorid (BaF₂) und Magnesiumfluorid (MgF₂) durchgeführt. Als elektrische Isolatoren gewinnen beide Substanzen zunehmend an technischer Bedeutung. Da sich Wachstumskinetik und Oberflächentopographie wechselseitig bedingen, sollen mit einer Kombination aus Molekularstrahlverfahren (MBE) und Atomkraftmikroskopie (AFM) Ergebnisse erzielt werden, die auf mikroskopischer Ebene zu einem tieferen Verständnis des physikalisch-chemischen Wachstums- und Mischungsverhaltens führen. <br /> Anhand der verwendeten Spaltflächen von MgF₂(100) und BaF₂(111) wurde zunächst die Spalttopographie untersucht. Diese zeigte sich in beiden Fällen in Form von „Blitz“-artigen Stufenanordnungen entlang bevorzugter kristallographischer Richtungen, welche bereits als charakteristisches Merkmal diverser Alkalihalogenide, wie NaCl oder RbCl, bekannt waren und durch das Aufeinandertreffen zweier oder mehrerer Stufen erklärt wurden. Während das homoepitaktische Wachstum auf der Oberfläche einer BaF₂(111)-Probe flache, ebene Kristallite hervorbrachte, konnte im Fall der homoepitaktischen Bedampfung einer MgF₂(100)-Fläche das Wachstum von Kristallen mit {110}-Facetten beobachtet werden.<br /> In der vorliegenden Arbeit wurde zudem die Wechselwirkung zwischen entsprechenden Erdalkalifluoriden mit ihren jeweils thermodynamisch instabilen Oberflächen untersucht. Im Vergleich zu den beiden Spaltflächen erwies sich die Präparation der schlecht spaltbaren Oberflächen von MgF₂(111) und BaF₂(100) als weitaus aufwändiger. So sind eine Reihe aufeinander folgender Schleif- und Polierprozesse von Nöten, um die Oberflächenrauigkeit der zuvor gesägten Kristallstücke weitestgehend zu reduzieren. Das homoepitaktische Wachstum auf einer BaF₂(100) zeigte zudem mit zunehmender Kristalltemperatur sowie Bedampfungszeit ein Wachstum an quadratischen Pyramiden, deren schrägstehende Seitenfläche der {111}-Flächen entspricht. Ebenso konnten nach Bedampfung mit mehreren Monolagen MgF₂ auf einer MgF₂(111)-Oberfläche Facetten der thermodynamisch stabileren {100}- und {110}-Flächen beobachtet werden.<br /> Wegen der möglichen Bildung des ferroelektrischen Bariummagnesiumfluorids (BaMgF4 kurz BMF) ist hierbei jedoch das System MgF₂- BaF₂ von besonderem Interesse. Ein mögliches Einsatzgebiet von BMF sind Metall - ferroelektronische - Halbleiter Feldeffekt-Transistoren (MFSFETs). Hierbei zeigten sich vor allem die stark abweichenden Größenunterschiede der Kationen als bedeutsam. Aufgrund des ca.1,6-fach größeren Ionenradius erfolgte nach Aufdampfen von BaF₂ auf den (100)- bzw. (111)-Oberflächen von MgF₂ mit steigender Kristalltemperatur kein Einbau in das jeweilige Kristallgitter. Im Gegensatz dazu ließ sich durch das heteroepitaktische Wachstum im System MgF₂/BaF₂(111) die Bildung der ferroelektrischen Mischkomponente BaMgF₄ nachweisen. Hierbei ließ sich insbesondere mittels Paarkorrelations-Analysen Fourier-gefilterter AFM Bilder mit atomarer Auflösung zeigen, dass mit steigender Temperatur die Anzahl an interatomaren Abständen im Bereich der Gitterkonstante a = 4.12 Å wächst, die einer Elementarzellenlänge von BaMgF₄ in [010]-Richtung entspricht.