Nanoscale pattern formation on ion-sputtered surfaces

Abstract

Auf 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.