Laser-induzierte Selbstorganisation an äußeren und inneren Grenzflächen

Das Leitmotiv der vorliegenden Disseration ist es, das Wissensspektrum über Laser-induzierte Selbstorganisation in Folge der Wechselwirkung zwischen linear polarisierten Nanosekunden-Laserpulsen (~ 5-8 ns) bei einer Wellenlänge von 532 nm mit unterschiedlichen Substraten, z.B. Leitern, Halbleitern u...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Main Author: Nürnberger, Philipp
Contributors: Hampp, Norbert (Prof. Dr.) (Thesis advisor)
Format: Dissertation
Language:German
Published: Philipps-Universität Marburg 2017
Chemie
Subjects:
Online Access:PDF Full Text
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Description
Summary:Das Leitmotiv der vorliegenden Disseration ist es, das Wissensspektrum über Laser-induzierte Selbstorganisation in Folge der Wechselwirkung zwischen linear polarisierten Nanosekunden-Laserpulsen (~ 5-8 ns) bei einer Wellenlänge von 532 nm mit unterschiedlichen Substraten, z.B. Leitern, Halbleitern und Dielektrika, zu erweitern. Die kumulative Arbeit ist in zwei Abschnitte gegliedert, die sich mit der Entstehung eines einzigartigen Selbstorganisationsprozesses, der als laser-induced periodic surface structures (LIPSS) bezeichnet wird, an äußeren und inneren Grenzflächen beschäftigt. Im ersten Abschnitt wird gezeigt, dass die Mikrokristallinität der äußeren Grenzfläche eines Substrates die Orientierung von LIPSS beeinflusst. Explizit wird dies mit Hilfe von polykristallinem Edelstahl EN 1.4301 dargestellt, auf dem LIPSS durch die Kristallorientierung einzelner Kristallite beeinflusst und begrenzt werden. Im Gegensatz zu monokristallinem Silizium (100) werden auf EN 1.4301 ungewöhnliche LIPSS-Orientierungen erzeugt, die nicht mit den state-of-the-art-Theorien erklärt werden können. Dadurch kann der bislang unbekannte, direkte Einfluss der Kristallinität eines Substrates auf LIPSS nachgewiesen werden. Im zweiten Abschnitt wird der gegenseitige Einfluss von LIPSS und den inneren Grenzflächen verschiedener Schichtsysteme untersucht. In einer Pionierstudie wird das Laser-induzierte Legierungs- und Entlegierungsverhalten zwischen Gold (Au) und Silizium (Si), auf Submikrometerebene innerhalb von Nanosekunden, untersucht. Dazu wird eine dünne Au-Schicht thermisch in Au-Nanopartikel mit einem Durchmesser zwischen 5 nm und 50 nm entnetzt. Die anschließende Bestrahlung der Au-Nanopartikel mit ns-Laserpulsen führt zur Entstehung von periodisch angeordneten AuSi-Nanobahnen (LIPSS), deren elektrische Leitfähigkeit mit Hilfe der conductive-atomic fore microscopy (C-AFM) nachgewiesen werden konnte. Die Periodizität und Orientierung der AuSi-Nanobahnen kann durch den Einfallswinkel der Laserstrahlung kontrolliert werden. Desweiteren verursachen LIPSS eine mesoporöse Modifikation von Si an der Grenzfläche zwischen AuSi-Nanobahnen und dem Si-Substrat. Mesoporöses Si findet Anwendung in verschiedenen fortschrittlichen Entwicklungen. Das Laser-induzierte Legierungsverhalten konnte zwischen weiteren Metallen, z.B. Platin, Silber und Kupfer, mit Silizium wiederholt werden. Zudem konnten LIPSS als Hilfsmittel verwendet werden, um Kupfersilicid-Nanokristalle mit kontrollierter Ausrichtung wachsen zu lassen. Dazu werden dünne Kupferfilme per Sputter Deposition auf monokristallinen Silizium (100)-Substraten abgeschieden, die von einer dünnen, natürlichen Oxidschicht bedeckt sind. Anschließend werden diese Proben mit linear polarisierten Nanosekunden-Laserpulsen bestrahlt. Die Bestrahlung führt gleichzeitig zum pulsed laser-induced dewetting (PliD) des Kupferfilms und zur Entstehung von periodischen Kupfer-Nanodrähten (LIPSS), die teilweise in die Oxidschicht und das darunterliegende Silizium eingesunken sind. Diese LIPSS begünstigen zunächst die Keimbildung und anschließend das Wachstum von Kupfersilicid-Nanokristallen, wenn die Proben in einer Formiergasatmosphäre (95% N_2 /5% H_2) auf 500°C erhitzt werden. Abschließend wurde ein starker Einfluss der Siliziumdioxid (SiO_2)-Schichtdicke auf die Entstehung von LIPSS in SiO_2/Si-Schichtsystemen festgestellt. Die SiO_2-Schichtdicke bestimmt, welche Grenzfläche des Schichtsystems die Entstehung bzw. Orientierung von LIPSS kontrolliert. Auf dünnen SiO_2-Schichten kann die Erzeugung von LIPSS gut durch die kurzzeitige Entstehung einer flüssigen Si-Schicht erklärt werden. Surface plasmon polaritons (SPP), die an der Grenzfläche Luft/geschmolzenes Si angeregt werden können, tragen dabei zur senkrechten Orientierung von LIPSS, im Bezug auf die Polarisationsrichtung der einfallenden Laserstrahlung, bei. Die Orientierungsrichtung von LIPSS dreht sich um 90°, sobald die (SiO_2)-Schichtdicke die Eindringtiefe von SPP in die Oxidschicht übertrifft. Die nun parallel zu Polarisation ausgerichteten LIPSS können durch die Interferenz zwischen dem einfallenden elektromagnetischen Lichtfeld und angeregten elektromagnetischen Plasmaoszillationen im Volumen des (SiO_2) erklärt werden. Innerhalb des SiO_2-Schichtdickenbereiches zwischen 80 nm und 120 nm wechselt die dominierende Orientierungsrichtung. Es werden sogar senkrecht überlagerte LIPSS beobachtet, die durch die Wechselwirkung beider Plasmonenwellen entstehen. Diese Wechselwirkung kann durch Abätzen der SiO_2-Schicht mit Hilfe von Fluorwasserstoffsäure (Flusssäure) nachgewiesen werden. \\ Zusammengefasst bietet die vorliegende Dissertation zahlreiche Einblicke in bislang unbekannte Aspekte der Entstehung von LIPSS. Zudem ebnen die durchgeführten Untersuchungen den Weg für mögliche, technische Anwendungsbereiche von LIPSS, bspw. in der Mikroelektronik oder Halbleitertechnologie.
DOI:https://doi.org/10.17192/z2017.0516