Feldinduzierte Tieftemperaturoxidation nanoskaliger Metall- und Halbleiterstrukturen

Abstract

An der Oberfläche nahezu aller Metalle und Halbleiter erfolgt Oxidbildung, sobald sie der Umgebungsatmosphäre ausgesetzt werden. Die Oxidationsreaktion verläuft dabei über eine Vielzahl von Teilschritten, an denen in der Regel geladene Spezies beteiligt sind. Unter dem Einfluss elektrischer Felder ändert sich daher die Triebkraft für die Oxidbildung und damit die Reaktionskinetik. Besonders ausgeprägt ist dieser Effekt bei freien, nanoskaligen Systemen, denn an ihrer stark gekrümmten Oberfläche treten bereits beim Anlegen moderater Spannungen elektrische Felder mit Feldstärken von einigen V/nm auf.Schwerpunkt dieser experimentellen Arbeit ist die Charakterisierung des Einflusses elektrischer Felder auf das Oxidationsverhalten freistehender, nanoskaliger Spitzen. Die Untersuchungen wurden an den Modellsystemen Wolfram, Aluminium und Silizium durchgeführt. Sauerstoff wurde in Form von H2O und O2 angeboten, und die Oxidationsreaktion erfolgte bei einer Temperatur von 296K. Es konnte gezeigt werden, dass sich das Oxidationsverhalten nanoskaliger Spitzen unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes gegenüber dem feldfreien Fall drastisch ändert, sofern H2O für die Reaktion zur Verfügung steht. Dabei existiert eine kritische Feldstärke, oberhalb derer feldinduzierte Oxidation beobachtet wird. Die kritische Feldstärke weist eine deutliche Abhängigkeit vom Partialdruck des H2O auf und liegt im Bereich einiger V/nm. Unterhalb der kritischen Feldstärke ist die Oxidationsreaktion kinetisch gehemmt. Aus einer Betrachtung der Teilschritte der Oxidationsreaktion kann abgeleitet werden, dass eine Reaktion von H2O an der Oxid-Dampf-Grenzfläche geschwindigkeitsbestimmend für die feldinduzierte Oxidbildung ist.Ein Vergleich des Oxidationsverhaltens der untersuchten Modellsysteme zeigt, dass feldinduzierte Oxidation offenbar ein universeller, materialunabhängiger Vorgang ist. Durch die kritische Feldstärke ist dabei der Bereich der kinetische Stabilität gegenüber Oxidation festgelegt und somit eine Grenze für den Einsatz von Nanostrukturen gegeben.