Ionenstrahlinduzierte selbst-organisierte Musterbildung auf einfachen Oberflächen Theorie und Experiment
Ion beam-induced self-organized pattern formation on elemental surfaces
by Omar Bobes
Date of Examination:2018-05-15
Date of issue:2018-05-30
Advisor:Prof. Dr. Hans Christian Hofsäss
Referee:Prof. Dr. Hans Christian Hofsäss
Referee:Prof. Dr. Astrid Pundt
Persistent Address:
http://dx.doi.org/10.53846/goediss-6901
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Abstract
English
In the thesis at hand, ripple pattern formation on amorphous carbon and Si surfaces has been investigated at room temperature during low energy Ne and Ar ion irradiation as a function of the ion incidence angle. Monte Carlo simulations of the curvature coefficients applied to the Bradley-Harper and Cater-Vishnyakov models, including the recent extensions predict that pattern formation on amorphous carbon thin films should be possible for low energy Ne ions from 250 eV up to 1500 eV. Moreover, simulations are able to explain the absence of pattern formation for low energy Ne ions on Si. Our experimental results are compared with prediction using current linear theoretical models and applying the crater function formalism, as well as Monte Carlo simulations to calculate curvature coefficients using the SDTrimSP program. Calculations indicate that no patterns should be generated up to 45° incidence angle if the dynamic behavior of the thickness of the ion irradiated layer is taken into account, while pattern formation most pronounced from 50° for ion energy between 250 eV and 1500 eV, which are in good agreement with our experimental data. Furthermore ripple pattern formation on amorphous carbon films has been investigated during normal incidence ion beam erosion under simultaneous deposition of different metalic co-deposited surfactant atoms. ta-C films were irradiated using 1 keV Ar ions under continuous deposition of Ti, W, Mo and Pt surfactants. The co-depotion of small amounts Ti, W and Mo leads to the steady state formation of TiC, WC or MoC nanocomposite surface of few nm thickness. This has a tremendous impact on the evolution of nanoscale surface patterns on ta-C. While the surface keeps always flat under co-deposition of Pt-atoms, where there is no possibility for phase separation, ripple patterns are observed under co-deposition of Ti-, W- and Mo-atoms. The results confirm that the phase separation is the major driving force for the pattern formation in the case of irradiation with normal incident beam.
Keywords: ion irradiation, surfactant sputtering, pattern formation
German
In der vorliegenden Arbeit wurde die Musterbildung auf amorphen Kohlenstoff- und Si-Oberflächen bei Raumtemperatur während der Bestrahlung von niederenergetischen Ne-und Ar-Ionen als eine Funktion des Ioneneinfallswinkels untersucht. Monte-Carlo-Simulationen der Krümmungskoeffizienten, die auf die theoretische Modelle angewendet wurden, einschließlich der neulich eingeführten Erweiterungen, konnten die Musterbildung auf amorphen Kohlenstoff für niederenergetische Ne-Ionen von 250 eV bis 1500 eV vorhersagen. Darüber hinaus sind die Simulationen in der Lage, die Abwesenheit von Musterbildung für niederenergetische Ne-Ionen auf Si zu erklären. Berechnungen zeigen, dass keine Muster bis zu einem Einfallswinkel von 45° erzeugt werden sollten, wenn das dynamische Dickenabhängigkeit der bestrahlten Schicht berücksichtigt wird. Auf die andere Seite taucht die Musterbildung ab 50° für Ionenenergien zwischen 250 eV und 1500 eV. Weiterhin wurde in dieser Arbeit die Bildung von Rippelmustern auf amorphen Kohlenstoffschichten bei normalem Ioneneinfall unter gleichzeitiger Kodeposition verschiedener metallischer Fremdatome untersucht. Wir haben ta-C-Schichten mit 1 keV Ar-Ionen unter kontinuierlicher Deposition von Ti-, W-, Mo- und Pt-Surfactant bestrahlt. Die Kodeposition von kleinen Mengen Ti, W und Mo führt zur Bildung von TiC-, WC- oder MoC-Nanokompositen mit einer Dicke von wenigen nm. Dies hat einen enormen Einfluss auf die Entwicklung von Oberflächenmustern auf ta-C. Während die Oberfläche unter Kodeposition von Pt-Atomen immer flach bleibt, wo es keine Möglichkeit für Phasenseparation gibt, werden Rippel-Muster unter Kodeposition von Ti-, W- und Mo-Atomen beobachtet. Die Ergebnisse bestätigen, dass die Phasenseparation die Hauptantriebskraft für die Musterbildung im Fall einer senkrechten Ionenbestrahlung.
Schlagwörter: Ionenbestrahlung, Surfactant Sputtering, Musterbildung
