Growth and Characterization of Carbon-Metal-Nanocomposite-Thin-Films and Self-Organized Layer Growth

Abstract

Die simultane Deposition von Kohlenstoff- und Metallionen mittels massenselektierter Ionenstrahldeposition führt zur Bildung von Kohlenstoff-Metall-Nanokompositen. Die Morphologie der entstehenden Filme hängt von der Energie der Ionen sowie dem Fluenzverhältnis von Kohlenstoff- und Metallionen ab. Es bilden sich Filme mit kleinen (nm-großen) homogen verteilten Metallclustern in einer Matrix aus amorphen Kohlenstoff (homogene Nanokomposite) oder Multilagenstrukturen von metallreichen/kohlenstoffarmen und metallarmen/kohlenstoffreichen Lagen mit Periodizitäten in der Größenordnung von 10 nm. Diese Eigenschaften könnten für zukünftige Anwendungen im Bereich der Nanotechnologien interessant sein.Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung der Systeme amorpher Kohlenstoff mit Kupfer oder Nickel. Die deponierten Schichten wurden - unter anderen - mit Rutherford Rückstreuspektroskopie (RBS), hochaufgelöster Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) und röntgeninduzierter Photoelektronenspektroskopie (XPS) charakterisiert.Das mögliche Wachstumsmodell für die Multilagenbildung von Gerhards und Mitarbeitern wird zusammen mit den enthaltenen Näherungen beschrieben: Die Bildung von homogenen Nanokompositen oder Multilagenfilmen hängt vom Anteil des Metalls ab, welches während der Deposition an die Oberfläche segregiert sowie von der Gesamtsputterausbeute SM des Metalls. Sobald wenigstens ein kleiner Teil des Metalls an die Oberfläche segregiert, ist die Bildung einer Multilagenstruktur möglich.Die Gesamtsputterausbeute SM stellt sich als Schlüsselparameter für den Übergang zwischen den beiden Filmwachstumsmoden dar. Sie kann aus dem Fluenzverhältnis von Kohlenstoff- und Metallionen während der Deposition, der Sputterausbeute von Kohlenstoffionen auf Metall und der Sputterausbeute von Metallionen auf das Metall berechnet werden. Wenn SM > 1 ist, wird nahezu sämtliches Metall an der Oberfläche durch Sputtern entfernt und eine Gleichgewichtsbedeckung stellt sich ein - ein homogenes Nanokomposit entsteht. Sobald SM < 1 gilt, ist die Bildung einer Multilagenstruktur möglich. Diese Wachstumsmodenabhängigkeit von SM konnte für amorphen Kohlenstoff mit Kupfer oder Nickel gezeigt werden.Desweiteren wurde Gadoliniumhaltiger amorpher Kohlenstoff mittels Ionenimplantation von Gadolinium in Filme aus amorphen Kohlenstoff hergestellt. Diese Filme wurden hinsichtlich ihrer Leitfähigkeit und ihres magneto-Widerstandes untersucht und ein feldinduzierter Metall-Isolator-Übergang konnte gezeigt werden.Außerdem wurde eine Reihe von Metallkarbidschichten mit der neuartigen Methode des surfactant sputtering unter Benutzung eines Metall Ko-Sputtertagets hergestellt. Diese Schichten zeigen interessante Oberflächenstrukturen welches mittels Atomkraftmikroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie untersucht wurden. Die Filme zeigen eine Abhängigkeit der Oberflächenstruktur von der Oberflächenbedeckung mit Metallatomen. Die Bildung von Karbiden wurde für Titan ko-gesputterte Filme gezeigt, während Wolfram ko-gesputterte Filme eine WxC Oberflächenlage ausbilden.