Kontrollierte additive Abscheidung metallischer Nanostrukturen mittels fokussierter weicher Röntgenstrahlen

• Antragsteller: Dr. Andreas Späth
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 400181425

• Erstellungsjahr: 2022

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Rahmen des vorliegenden Projekts wurde die Methode „Fokussierte Röntgenstrahlen-induzierte Abscheidung metallischer Nanostrukturen aus gasförmigen metallorganischen Vorstufen“ auf Basis grundlegender Vorarbeiten tiefergehend evaluiert. Zur Erweiterung des Verständnisses der fundamentalen Zerfallsprozesse relevanter Vorstufenmoleküle wurden deren photonenenergieabhängiges Fragmentationsverhalten mittels Gasphasenspektroskopie und Massenspektrometrie untersucht. Hierbei stellte sich heraus, dass sowohl die Vollständigkeit des Zerfalls (Fragmentationsgrad) als auch die Zerfallsrate stark von der Anregungsenergie bestimmt werden und zwar auch nach Normierung auf das jeweilige Absorptionsspektrum. Rechnungen mit zeitaufgelöster Dichtefunktionaltheorie deuten stark darauf hin, dass hierbei die Lokalisation der Zielorbitale der betreffenden Anregungsresonanzen eine wichtige Rolle spielt. Sowohl eine Lokalisation an Metallzentrum als auch eine Verteilung auf das gesamte Molekül scheinen einen stärkeren Fragmentationsgrad zu begünstigen, während eine starke Lokalisation an einzelnen Ligand(teilen) eher einen unvollständigen Zerfall zur Folge hat. Eine direkte Übertragung dieser Ergebnisse auf die Depositionsexperimente im Röntgenmikroskop erwies sich als schwierig. Es wurde gefunden, dass ein von der Photonenenergie unabhängiger Ausstoß von Sekundärelektronen aus dem Substrat eine größere Rolle spielt als die Anregung der Vorstufenmoleküle selbst. Daher sind die photonenenergieabhängigen Effekte bei der Deposition eher schwach ausgeprägt. Es erscheint nun sinnvoller die Abscheiderate durch resonante Anregung des Substrats zu erhöhen. Dies ist aufgrund des verhältnismäßig geringen Photonenflusses des Röntgenmikroskops im Bereich der Stickstoff K-Absorptionskante derzeit nicht zielführend. Eine Verbesserung wird durch den bevorstehenden technischen Ausbau der Schweizer Synchrotronstrahlungsquelle erwartet. Weiterhin ist es zur signifikanten Verbesserung der chemischen Reinheit und der Auflösung der Abscheidungen zwingend nötig, den bestehenden experimentellen Aufbau erheblich zu überarbeiten. Im Rahmen einer tiefgreifenden Analyse des technischen Verbesserungspotenzial wurde hierzu diverse Vorschläge erarbeitet um eine Erhöhung des Pumpquerschnitts in der Depositionszelle, eine stabilere Druckmessung und eine verbesserte Schwingungsdämpfung zu erzielen. Abschließend wurde in einem Modellexperiment gezeigt, dass der experimentelle Ansatz zur kontrollierten nanoskopischen Funktionalisierung der internen Oberflächen nanoporöser Materialien bis zu einer Tiefe von mehreren Mikrometern eingesetzt werden. Hieraus ergebt sich ein interessantes Anwendungspotenzial in den Bereichen Katalyse, Design von Mikroreaktoren und spezieller magnetischer Nanostrukturen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Focused soft X-ray beam induced deposition: recent advances to a novel approach for fabrication of metallic nanostructures. Microscopy and Microanalysis, 2018, 24(S2), 114-115
  A. Späth, F. Vollnhals, F. Tu, K.C. Prince, R. Richter, J. Raabe, H. Marbach, R.H. Fink
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1017/S1431927618012965)
• Additive Nano-Lithography with Focused Soft X-Rays: Basics, Challenges, and Opportunities. Micromachines, 2019, 10(12), 834
  A. Späth
  (Siehe online unter https://doi.org/10.3390/mi10120834)
• From 2D STXM to 3D Imaging: Soft X-ray Laminography of Thin Specimens. Nano Letters, 2020, 20, 1305-1314
  K. Witte, A. Späth, S. Finizio, C. Donnelly, B. Watts, B. Sarafimov, M. Odstrcil, M. Guizar-Sicairos, M. Holler, R.H. Fink, J. Raabe
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.9b04782)
• Soft x-ray microscopy with 7 nm resolution. Optica, 2020, 7(11), 1602-1608
  B. Rösner, S. Finizio, F. Koch, F. Döring, V.A. Guzenko, M. Langer, E. Kirk, B. Watts, M. Meyer, J. Loroña Ornelas, A. Späth, S. Stanescu, S. Swaraj, R. Belkhou, T. Ishikawa, T.F. Keller, B. Gross, M. Poggio, R.H. Fink, J. Raabe, A. Kleibert, C. David
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1364/OPTICA.399885)