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Nanoscale pattern formation on ion-sputtered surfaces

dc.contributor.advisorKree, Reiner Prof. Dr.de
dc.contributor.authorYasseri, Tahade
dc.date.accessioned2010-04-12T15:31:19Zde
dc.date.accessioned2013-01-18T13:30:26Zde
dc.date.available2013-01-30T23:50:57Zde
dc.date.issued2010-04-12de
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0006-B4B9-Ade
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-2632
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-2632
dc.description.abstractAuf Festkörperoberflächen, die mit Ionen im keV Bereich bestrahlt werden, bilden sich spontan Muster auf Nanometer-Längenskalen. Während der letzten zehn Jahre wurde diese Beobachtung zu systematischen Methoden der Oberflächenstrukturierung mittels Ionenstrahl-Sputtering (IBS) weiterentwickelt, die heute zu vielversprechenden Kandidaten für ``bottom-up"" Produktionstechniken von Nanogeräten geworden sind. Wellenmuster, geordnete Gitter von Punkten, Pyramiden und Löchern, aber auch extrem glatte Oberflächen können auf einer Vielzahl von Materialien erzeugt werden; nicht zuletzt auf technologisch wichtigen Halbleitern wie Si, Ge, GaAs und InP.Trotz all der gemachten Fortschritte in der experimentellen Präparation von Oberflächenstrukturen durch IBS sind die physikalischen Mechanismen, die dieser Musterbildung zugrunde liegen, immer noch nur sehr unzureichend verstanden. In dieser Arbeit verwenden wir Kinetische Monte Carlo (KMC) Simulationen und Kontinuumstheorien zur detaillierten Untersuchung der folgenden Mechanismen: (i) dem Zusammenspiel von Oberflächenerosion und unterschiedlichen Diffusionsmechanismen (Wolf-Villain, Hamiltonian, thermisch angeregtes Hüpfen über Barrieren, die sowohl vom Anfangs- wie auch vom Endzustand des elementaren Hüpfprozesses abhängen können), und dem crossover zwischen erosions-getriebenen und diffusions-getriebenen Mustern, (ii) zufällige Orientierungen der Ionentrajektorien, die zu einer Divergenz des Ionenstrahls führen, (iii) Kodeposition einer stationären, (sub)-Monolage einer zweiten Atomsorte auf der Substratoberfläche (``surfactant sputtering"") und (iv) Bestrahlung aus mehreren Richtungen, sowie Drehungen des Strahls bzw des Substrats.Alle vier untersuchten Mechanismen können tiefgreifende _ manchmal auch unerwartete _ Einflüsse auf die Musterbildung haben. Unterschiedliche Diffusionsmechanismen können zu sehr unterschiedlichem Langzeitverhalten der Muster in KMC Simulationen führen, auch wenn sie alle durch den gleichen Term führender Ordnung in der Kontinuumstheorie beschrieben werden. Orientierungsfluktuationen im Ionenstrahl können das Bifurkationsszenario der Musterbildung ändern, ``surfactant sputtering"" kann völlig neue, mesoskopische oder makroskopische Muster erzeugen, die den nanoskaligen Mustern überlagert sind. Es treten außerdem Musterbildungen im System der sufactant Atome auf, die eine Rückkopplung mit der Musterbildung des Substrats erzeugen, da surfactant Atome die Erosionsrate benachbarter Substratatome ändern. Bei der Überprüfung etlicher Vorschläge zur Verbesserung der Musterbildung durch gleichzeitige Bestrahlung aus mehreren Richtungen oder durch Drehungen des Strahls oder Substrats zeigte sich hingegen, dass viele von ihnen nicht bestätigt werden konnten (dies ist in Übereinstimmung mit kürzlich erstmals durchgeführten Experimenten zu diesen Vorschlägen). Unsere Analyse deckt aber einige der physikalischen Gründe für diesen Mißerfolg auf, und gibt Hinweise auf verbesserte experimentelle Realisierungen solcher Techniken.de
dc.format.mimetypeapplication/pdfde
dc.language.isoengde
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de
dc.titleNanoscale pattern formation on ion-sputtered surfacesde
dc.typedoctoralThesisde
dc.title.translatedMusterbildung auf der Nanometerskala an ion-gesputterten Oberflächende
dc.contributor.refereeHartmann, Alexander PD Dr.de
dc.date.examination2010-01-21de
dc.subject.dnb530 Physikde
dc.description.abstractengSelf-organized, nano-scale structures appear on solid surfaces under ion beam irradiation with ion energies in the keV range. Within the last decade, surface engineering by ion beam sputtering (IBS) has become a very promising candidate for bottom-up production techniques of nano-devices. Morphologies like ripples, and regular arrays of dots, pyramids and pits as well as ultra-smooth surfaces have been obtained on a wide variety of substrates, including important semiconductor materials like Si, Ge, GaAs and InP.In spite of many substantial improvements of experimental surface structuring by IBS, the physical mechanisms underlying the pattern formation are still poorly understood. In this work we use Kinetic Monte Carlo (KMC) simulations and continuum theory to study the effects of the following mechanisms in detail: (i) the interplay of surface erosion with different surface diffusion mechanisms (Wolf-Villain, Hamiltonian, thermally activated hopping via transition states, including barriers depending on both initial and final configuration in a hop) and the crossover from erosion-driven to diffusion driven patterns, (ii) random orientational fluctuations of ion trajectories within the beam, leading to ion beam divergence, (iii) co-deposited, steady-state, (sub)-mono-layer coverages of the substrate with a second atomic species (``surfactant sputtering"") and (iv) multi-beam and rotated-beam (or rotated sample) setups.We find that all the four mechanisms under study may have a profound _ and sometimes unexpected _ impact on the pattern formation. Different diffusion mechanisms, which all give rise to the same leading order terms in a continuum description lead to rather different long-time behavior of patterns in KMC simulations. Orientational fluctuations change the bifurcation scenarios of pattern formation and surfactant sputtering may give rise to qualitatively new effects like mesoscopic or even macroscopic patterns on top of nano-scale patterns, and the ordering of the surfactant on top of the structured surface. This ordering leads to a feedback mechanism due to the modulation in sputtering yield caused by the surfactant. On the other hand, many of the promising proposals concerning the usage of multi-beam and rotated beam setups could not be confirmed (in accordance with recent experiments), but we can outline some physical reasons for this failure, which could guide an improved usage of these techniques.de
dc.subject.topicMathematics and Computer Sciencede
dc.subject.gerSputternde
dc.subject.gerMonte Carlo Simulationde
dc.subject.gerMusterbildungde
dc.subject.gerNano-Musterde
dc.subject.engSputteringde
dc.subject.engMonte Carlo Simulationde
dc.subject.engPattern Formationde
dc.subject.engNano-patternde
dc.subject.bk33.10de
dc.subject.bk33.68de
dc.identifier.urnurn:nbn:de:gbv:7-webdoc-2426-0de
dc.identifier.purlwebdoc-2426de
dc.affiliation.instituteFakultät für Physikde
dc.subject.gokfullRDH 400: Geordnete und ungeordnete Systeme {Mathematische Physik}de
dc.subject.gokfullSL 000: Physik und Chemie von Oberflächen und Grenzflächende
dc.identifier.ppn630020949de


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