Strukturbildende Prozesse in amorphen Kohlenstoffschichten
Final Report Abstract
Amorphe Kohlenstoffschichten mit hohem sp3-Anteil (ta-C-Schichten) befinden sich unter Umgebungs- oder Vakuumbedingungen in einem metastabilen Zustand. Durch Energiedeponierung können solche Schichten eine Phasenänderung hin zu einem graphitartigen Material durchlaufen. Diese Phasenänderung ist verbunden mit einer Änderung vieler physikalischer Eigenschaften von diamantartig zu graphitartig. Zu den betreffenden Eigenschaften gehören die elektrische Leitfähigkeit und die Austrittsarbeit. Beide erhöhen sich mit dem Grad der Graphitisierung. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, diese Phasenänderung in eingeschränkten Gebieten lokal zu induzieren - bis hinab zum Nanometerbereich. Bekannte Methoden dazu sind gepulste Laser, hochenergetische Einzelionen, fokussierte Ionenstrahlen (FIB), lokale Strompulse und Bestrahlung mit hochenergetischen Elektronen. Innerhalb dieses Projektes wurden Struktur- und Eigenschaftsänderungen in ta-C-Schichten durch fokussierten Beschuss mit niederenergetischen Elektronen (eV- bis niedriger keV-Bereich) und Ionen mit Energien im keV-Bereich untersucht. Dabei wurden analytische Methoden mit hoher Ortsauflösung eingesetzt, darunter Rastersondenmikroskopie, STM-Spektroskopie, µ-Raman- Spektroskopie, ortsaufgelöste Photoemissionspektroskopie und lokale Leitfähigkeitsmessungen. Als wichtiges Teilergebnis hinsichtlich der ioneninduzierten Phasentransformation wurden zwei Teilprozesse identifiziert, die in Abhängigkeit der Ionenfluenz den Graphitisierungsprozess dominieren: Bei kleinen Fluenzen findet zunächst eine sp3-sp2-Umwandlung statt, die bei einer Fluenz von etwa 1015 cm^-2 abgeschlossen ist. Sie wird bei höheren Fluenzen gefolgt von einem Umordnungsprozess hin zu graphitischer, hexagonaler Atomordnung. Beide Teilprozesse sind begleitet von einer Zunahme der elektrischen Leitfähigkeit. Die elektroneninduzierte Phasenumwandlung wurde für zwei verschiedene Elektronenenergien untersucht: STM-emittierte Elektronen mit Energien im niedrigen eV-Bereich und Elektronenstrahlen im niedrigen keV-Energiebereich, wie sie in Rasterelektronenmikroskopen (SEM) oder Elektronenstrahlschreibern genutzt werden. Eine Graphitisierung von ta-C durch Elektronenbeschuss ist nur dann für oberflächenempfindliche Analytik sichtbar, wenn die selbst bei sehr guten Vakuumbedingungen auftretenden elektroneninduzierten Kontaminationsabscheidungen verhindert werden. Diese Bedingung konnte erfüllt werden, indem die Elektronenbestrahlung im UHV durchgeführt wurde und die ta-C-Schichten einer Temperbehandlung unterzogen wurden. Für beide Energiebereiche konnte eine Phasenänderung nachgewiesen werden, die verbunden ist mit einer Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit und der Austrittsarbeit. SEM-basierte ta-C-Strukturierung ohne weitere Prozessschritte ist gerade deswegen sehr interessant für mögliche Anwendungen, weil dafür die etablierte Technologie der Elektronenstrahllithographie genutzt werden kann. Die ioneninduzierte Phasenumwandlung von ta-C ist gegenüber der elektroneninduzierten Variante wesentlich effizienter hinsichtlich der nötigen Fluenz. Innerhalb dieses Projektes konnten wesentliche Beiträge zum Verständnis der Leitfähigkeit in ta-C-Schichten geleistet werden. Die Einstellbarkeit des spezifische Widerstandes als auch grundlegender elektronischer Eigenschaften wie der Austrittsarbeit lassen dieses Material sehr interessant für zukünftige mikroelektronische oder mikromechanische Bauelemente basierend auf Kohlenstoff erscheinen.
Publications
- Investigation of conducting nanostructures on ta-C films made by FIB lithography. E-MRS Spring Meeting, May 10 - 12, 2011, Congress Centre Nice, France
P. Philipp and L. Bischoff
- Investigations of nano structures on DLC films made by focused ion beam lithography. 22nd European Conference on Diamond, Diamond 2011, September 4-8, 2011, Garmisch-Partenkirchen
P. Philipp and L. Bischoff
- Investigation of conducting nanostructures on ta-C films made by FIB lithography. Nucl. Instr. and Meth. B 282 (2012) 121 – 124
P. Philipp and L. Bischoff
(See online at https://doi.org/10.1016/j.nimb.2011.08.057) - Investigations of nano structures on DLC films made by focused ion beam lithography. Diamond and Related Materials 23 (2012) 140 – 143
P. Philipp and L. Bischoff
- Phase Change of Tetrahedral Amorphous-Carbon by Low Energy Electrons in a Scanning Tunnelling Microscope, DPG-Frühjahrstagung, 25. 03. 2012 - 30. 03. 2012, Berlin
F. Klein and T. Mühl
- Taming of Ga droplets on DLC layers – Size tuning and local arrangement with nm accuracy. Nanotechnology 23 (2012) 475304 (7 pp.)
P. Philipp, L. Bischoff and B. Schmidt
- Taming of Ga droplets on DLC layers – Size tuning and local arrangement with nm accuracy. The 56th Int. Conf. on Electron, Ion, and Photon Beam Technology and Nanofabrication, EIBPN 2012, May 29 – June 1, 2012 Waikoloa, Hawaii, USA
P. Philipp, L. Bischoff and B. Schmidt
- Nanostructures by mass-separated FIB, Book chapter in “FIB Nanostructures”. In “Lecture Notes in Nanoscale Science and Technology” Vol. 20, ed. Z. Wang, Peking, Berlin: Springer, 2013, 978-3-319-02874-3, pp. 465 – 525
L. Bischoff, R. Böttger, P. Philipp and B. Schmidt
- Scanning Tunnelling Spectroscopy of FIB-induced Local Phase Changes in Tetrahedral Amorphous-Carbon, DPG-Frühjahrstagung, 10.03. 2013 - 15. 03. 2013, Regensburg
F. Klein, P. Philipp, L. Bischoff, and T. Mühl
- Strukturbildende Prozesse in amorphen Kohlenstoffschichten, Jahresbericht des Instituts für Fertigungstechnik der Fakultät Maschinenwesen der TU Dresden 2013, Kap. 6.3, S.22
E. Beyer et al.
- Laser interference induced nanocrystallized surface swellings of amorphous carbon for advanced micro tribology, Materials Research Express 1 (2014) 035042
T. Roch, F. Klein, K. Guenther, A. Roch, T. Mühl, and A. Lasagni
(See online at https://doi.org/10.1088/2053-1591/1/3/035042) - Nanoscale low energy electron induced graphitisation in tetrahedral amorphous carbon thin films, DPG-Frühjahrstagung, 30. 03. 2014 - 04. 04. 2014, Dresden
F. Klein
- The origin of conductivity in ion irradiated diamond-like carbon – Phase transformation and ordering by transient heat injection, Carbon 80 (2014) 677 – 690
P. Philipp, L. Bischoff, U. Treske, B. Schmidt, J. Fiedler, R. Hübner, F. Klein, A. Koitzsch, and T. Mühl
(See online at https://doi.org/10.1016/j.carbon.2014.09.012)
