1. Motivation für die Charakterisierung von. niederdimensionalen Strukturen zu

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1 Niederdimensionale Strukturen Physik der Nanostrukturen Strukturen deren räumliche Ausdehnung auf die Nanoskala beschränkt ist und welche aufgrund ihrer Form und Größe neuartige Materialeigenschaften besitzen Die Bedeutung quantenmechanischer Effekte nimmt für die Beschreibung der Materialeigenschaften von zu Anwendungsbereiche: Halbleitertechnik Opto-Elektronik Magnetismus 1

2 Physikalische Eigenschaften niederdimensionaler Strukturen Mechanische Anwendungen hohe Härten chemische Beständigkeit Elektronische Anwendung elektr. Widerstand variabel aufgrund der chem. Zusammensetzung Gap-Breite variabel Laser Festkörperdetektoren Transistoren Magnetische Anwendung magnetische Anisotropie Giant Magnetoresistance magnetische Sensoren Leseköpfe für Festplatten magnetische Ventile Optische Anwendungen variabler Brechungsindex KERR Effekt (KERR Rotation) 2

3 Halbleitermaterialien für elektronische Schichten III-V HG Stöchiometrie 1:1 muss immer erfüllt sein IV HG 3

4 Zusammenhang zwischen Kristallstruktur und Materialeigenschaften Kristallstruktur Kristallsymmetrie Gitterparameter atomare Abstände lokale Symmetrie (Punktgruppen) Energieband Symmetrie der physikalischen Eigenschaften elektronische Eigenschaften Kristallstruktur bestimmt die physikalischen Eigenschaften 4

5 Zusammenhang zwischen Kristallstruktur und Materialeigenschaften Realstruktur chem. Inhomogenität Eigenspannung Kristallitgröße Vorzugsorientierung Strukturdefekte Änderung des Gitterparameters und Änderung der Elektronenanzahl anisotrope Änderung des Gitterparameters Einfluss der Korngrenzen (lokaler Grenzflächen) Verstärkung von Kristallanisotropie Streuzentren für Elektronen Symmetrie der physikalischen Eigenschaften Änderung im Bänderschema Erzeugung zusätzlicher Streuzentren für Elektronen Mittelung der phys. Eigenschaften Änderung im Bänderschema Realstruktur bestimmt die physikalischen Eigenschaften 5

6 Beispiele für den Zusammenhang von Kristallstruktur und Materialeigenschaften Ba x Sr 1-x TiO 3 MOCVD Schichten Dielektrisches Materials für permanent Speicher (non-votail memories) Anforderungen an das Material: niedrige Eigenfrequenz für hohe Lesegeschwindigkeit kleine Dämpfung hohe dielektrische Konstante Probleme für dünne Schichten: hohe Eigenfrequenz starke Dämpfung niedrige dielektrische Konstante [Ref] T. Ostapchuk, et al.; Phys.Rev.B 66 (02) Bestimmung des Zusammenhangs zwischen Materialeigenschaften und der realen Struktur der Schichten 6

7 Beispiele für den Zusammenhang von Kristallstruktur und Materialeigenschaften UN PVD Schichten System mit 5f Elektronen UN Einkristalle: Antiferromagnetisch bei geringen Temperaturen (<53K) UN polykristalline Schichten: Besitzen ferromagnetische Komponente (<100K) [Ref] D. Rafaja, et al.; J.Alloys Comp. 386 (05) 87. 7

8 Beispiele für den Zusammenhang von Kristallstruktur und Materialeigenschaften Effect of chemical composition Hartstoffschichten Übergangsnitride Effect of crystallite size Cr 1-x Al x N Hardness (G GPa) Cr 1-x Al x N Ti 1-x Al x N w + fcc fcc+ w fcc Zr 1-x Al x N [M]/([M]+[Al]) (TM,Al)N + AlN nano ocomposites Härte: Al Anteil beeinflusst Härte Phasenanteil w-aln Einfluss auf Härte in (Ti,Al)N Kristallitgröße: Hall-Petch Beziehung Härteabnahme unterhalb kritischer Kristallitgröße Hardness (GP Pa) Ti 1-x Al x N Zr 1-x Al x N Crystallite size (nm) Hall-Petch relat tionship [Ref] D. Rafaja, et al.; Surf.Coat.Technol. 3 (08)

9 Zusammenhang von Kristallstruktur und Materialeigenschaften Einkristalle besitzen oft bessere und besser definierte Eigenschaften im Vergleich zu polykristallinen Materialien aber nicht immer! 9

10 Parameter idealer Kristallstrukturen chemische Zusammensetzung Raumgruppe Gitterparameter Bruchkoordinaten Okkupanz Parameter realer Kristallstrukturen räumliche Verteilung der chemischen Zusammensetzung spannungsfreier Gitterparameter Eigenspannungen 1. Art Kristallitgröße Vorzugsorientierung Typ, Dichte und Verteilung von Strukturdefekten (Punktdefekte, Liniendefekte, 2D-Defekte, Ausscheidungen) 10