Surfactant Sputtering - Investigation of fundamental processes
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Vorhabens war es, die fundamentalen dynamischen Selbstorganisationsprozesse zu untersuchen, die bei der Musterbildung auf einer Substratoberfläche durch die simultane Ionenbestrahlung und Codeposition von Metallatomen entstehen. Damit soll eine Grundlage für neue Modelle der ioneninduzierten selbstorganisierten Musterbildung geschaffen werden. Surfactant sputtering ist eine neuartige Methode der Ionenstrahlerosion. Sie nutzt eine stationäre Oberflächenbedeckung mit Fremdatomen (Surfactants) bis zu 10^16 Atomen/cm2 aus, was durch simultane Ionenbestrahlung und Codeposition von Atomen auf ein Substrat erreicht wird. Surfactants verursachen eine erhebliche Änderung der Sputterrate auf atomaren bis makroskopischen Längenskalen. Je nach Surfactant-Substrat Kombination wird so die Bildung neuartiger nanoskaliger Oberflächenmuster oder auch Oberflächenglättung induziert, jeweils begleitet von der Bildung ultradünner, gemischter Oberflächenschichten. Zu Beginn des Projekts gab es Indizien, die auf eine Surfactant getriebene selbstorganisierte Musterbildung durch Volumenprozesse wie z.B. ioneninduzierte Phasenseparation und Stöchiometrie abhängiges lokales Sputtern deuten. Solche Effekte waren bisher nicht in aktuellen Modellen zur ioneninduzierten Musterbildung berücksichtigt. Im Rahmen des Vorhabens konnten viele wichtige Fragen geklärt werden. Die wichtigsten Ergebnisse des Vorhabens sind: (i) Die erste experimentelle Verifikation der Dynamik der Muster, insbesondere die quantitative Bestimmung der lateralen Bewegung der Wellenmuster, ist gelungen. Dadurch konnte die 25 Jahre alte Vorhersage von Bradley und Harper bestätigt werden. (ii) Umfassende experimentelle Ergebnisse untermaueren den Prozess der Phasenseparation als einen wesentlichen Beitrag zur Surfactant induzierten Musterbildung. Neben der wichtigen Rolle der Metall-Disilizidbildung konnte auch die Bedeutung kritischer Oberflächenbedeckungen für die Musterbildung geklärt werden. (iii) Es ist gelungen, die für analytische Modelle benötigten Krümmungskoeffizienten quantitativ mit Hilfe von Monte Carlo Simulationen zu bestimmen. Damit ist ein unmittelbarer Vergleich zwischen theoretischen Vorhersagen und spezifischen Experimenten zur Musterbildung möglich. (iv) Wir haben gezeigt, dass es möglich ist Punkt- oder Wellenmuster mit vorgegebener Symmetrie, Längenskala und Morphologie herzustellen. Damit ist es nun möglich bestimmte Musterformen nach Wunsch zu realisieren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Surfactant driven self-organized surface patterns by ion beam erosion. New. J. Phys. 13 (2011) 013033
K. Zhang, M. Brötzmann, H. Hofsäss
- Ion beam induced surface patterns due to mass redistribution and curvature dependent sputtering. Phys. Rev. B 86 (2012) 235414
Omar Bobes, Kun Zhang, and Hans Hofsäss
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevB.86.235414) - Is sputtering relevant for ion-induced self-organized pattern formation? CAARI 2012 AIP Conf. Proceedings 1525, 21st Int. Conf. on the Application of Accelerators in Research & Industry (CAARI), Floyd D. McDaniel and Barney L. Doyle (Editors), 2013, 386-391
H. Hofsäss, O. Bobes and K. Zhang
- Propagation of ripple patterns on Si during ion bombardment. Phys. Rev. B 88 (2013) 075426
H. Hofsäss, K. Zhang, H.G. Gehrke, C. Brüsewitz
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevB.88.075426) - The role of phase separation for self-organized surface pattern formation by ion beam erosion and metal co-deposition. Materials Science and Processing 111 (2013), 653-664
H. Hofsäss, K. Zhang, A. Pape, O. Bobes, and M. Brötzmann
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s00339-012-7285-8) - A Modification to the Sigmund Model of Ion Sputtering. J. Appl. Phys. 116 (2014) 234304
R. M. Bradley, H. Hofsäss
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4904438) - Designing Si surface nanopatterns by low energy ion beams with metal surfactant sputtering. Nanotechnology, 25 (2014) 085301
K. Zhang, O. Bobes, H. Hofsäss
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/0957-4484/25/8/085301) - Surface instability due to ion-induced mass transport and erosion. Appl. Phys. A 114 (2014) 401-422
H. Hofsäss
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s00339-013-8170-9) - Mössbauer Spectroscopy study of Surfactant Sputtering induced Fe Silicide formation on a Si surface. Appl. Surf. Sci. 357 A (2015) 493
C. Beckmann, K. Zhang, H. Hofsäss, C. Brüsewitz, U. Vetter and K. Bharuth-Ram
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2015.09.057)
