Wachstum einkristalliner Diamantschichten: Untersuchungen zu Art, Entstehung, Manipulation und Minimierung struktureller + chemischer Defekte
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das vorliegende Forschungsprojekt befasste sich mit der Untersuchung der strukturellen und chemischen Defekte, die bei der Mikrowellenplasma-unterstützten chemischen Gasphasenabscheidung von einkristallinen Diamantschichten auftreten. Ziel war es neben der Aufklärung von Struktur und Entstehung auch Strategien zur Manipulation, Vermeidung oder Reduktion dieser Defekte zu entwickeln. Im Rahmen des Projekts sollte mit verschiedenen externen Gruppen kooperiert werden, um zusätzliche Untersuchungen an den Proben durchzuführen und gleichzeitig das Potential der Augsburger Proben für unterschiedliche Anwendungen (Bauelemente) zu eruieren. In-situ Wachstumsratenmessungen mittels Laserreflektionsinterferometrie auf on-axis und off-axis HPHT-Einkristallsubstraten zeigten für die Wachstumsbeschleunigung durch Stickstoff ein Verhalten, das sich am besten über einen katalytischen Einfluss einer auf der Oberfläche adsorbierten Stickstoffspezies, die mit CHx-Wachstumsspezies um Adsorptionsplätze konkurriert, erklären lässt. Abscheideexperimente auf Ir/YSZ/Si(111) ergaben erstmals auch heteroepitaktische Diamantschichten mit (111) Orientierung. Bei Photoelektronenbeugungsmessungen an den 1 nm dicken Kohlenstoffschichten nach der Gleichspannungsunterstützten Nukleation (BEN) wurde kein erkennbares Signal von Keimen in Zwillingsposition beobachtet. Dies lieferte wichtige Hinweise auf den Mechanismus von BEN und ist eine entscheidende Voraussetzung für das Wachstum einkristalliner Diamantschichten mit (111) Orientierung. Bei heteroepitaktischen Diamantschichten auf Ir/YSZ/Si(001) wurden bis zu 1 mm dicke Proben studiert. Zum einen konnten Proben mit definierter Mosaikverteilung synthetisiert werden, die als Mosaikkristalle für die Monochromatisierung von thermischen Neutronen bereits im derzeitigen Entwicklungsstand allen bisherigen Materialien hinsichtlich Peakreflektivität überlegen sind und damit das Potential für ein ultimatives Neutronenmonochromatormaterial besitzen. In einem zweiten Schwerpunkt wurde die Minimierung der Dichte an strukturellen Defekten studiert, um Schichteigenschaften vergleichbar denen von homoepitaktischen Einkristallen zu erzielen. Die Ramanlinienbreite konnte durch diese Wachstumsschritte von ca. 15 cm-1 auf 2 cm-1 reduziert werden. Im Rahmen einer Kooperation wurden die elastischen Eigenschaften der Diamantschichten mit Hilfe einer Multimoden-photoakustischen Messmethode bestimmt. Bei Untersuchungen der Detektoreigenschaften an den Augsburger Proben wurden Ladungssammelausbeuten von über 90% gemessen. In weiteren Kooperationen wurden durch Mikrostrukturierung photonische Kristalle in den Heteroepitaxieschichten erzeugt. SiV Zentren in Diamant- Nanokristallen synthesiert auf Ir-Substraten erwiesen sich als Einzelphotonenquellen mit höchsten Zählraten. Die im Projekt weiterentwickelten einkristallinen Metallschichten auf Silizium wurden auch erfolgreich für die Abscheidung von Graphen eingesetzt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Growth of twin-free heteroepitaxial diamond on Ir/YSZ/Si(111), J. Appl. Phys. 104 (2008) 123531
M. Fischer, R. Brescia, S. Gsell, M. Schreck, T. Brugger, T. Greber, J. Osterwalder, B Stritzker
- Epitaxial films of metals from the platinum group (Ir, Rh, Pt and Ru) on YSZ-buffered Si(111), J. Cryst. Growth 311 (2009) 3731
S. Gsell, M. Fischer, M. Schreck, B. Stritzker
- Growth rate enhancement by nitrogen in diamond chemical vapor deposition – a catalytic effect, Appl. Phys. Lett. 94 (2009) 224101
S. Dunst, H. Sternschulte, M. Schreck
- Heteroepitaxial Growth in CVD Diamond for Electronic Devices and Sensors, Ed. by R. Sussmann (Wiley, Chichester, UK, 2009) p. 125-161
M. Schreck
- Multimode photoacoustic method for the evaluation of mechanical properties of heteroepitaxial diamond layers, J. Appl. Phys. 108 (2010) 083524
Z. Shen, A. M. Lomonosov, P. Hess, M. Fischer, S. Gsell, M. Schreck
- Thermal diffusivity of heteroepitaxial diamond films: Experimental setup and measurements, Diamond Relat. Mater. 19 (2010) 787
C. Stehl, M. Schreck, M. Fischer, S. Gsell, B. Stritzker
