Diffusion auf Oberflächen und in oberfächennahen Schichten

Der Gegenstand dieses Projekts sind Diffusionsuntersuchungen in metallischen Schichten. Metallische Schichten sind gegenwärtig Gegenstand aufwendiger Untersuchungen (Anwendungen im Bereich der Speichermedien, Multilayerspiegel für Röntgenstrahlen, etc.). Für diese und viele andere Anwendungen ist das Verständnis der Kinetik von Multilayersystemen, die für die Stabilität bei hohen Temperaturen verantwortlich ist, von größter Wichtigkeit. In letzter Zeit wurde die Diffusion auf Oberflächen mit Tunnel- und Atomkraft- mikroskopie verfolgt, es bleibt jedoch die Frage möglicher Störungen des diffundierenden Systems durch das Instrument offen. Ein alternativer Weg, die Struktur und Dynmaik von Materie zu untersuchen, ist die quasielastische Streuung von Quanten. die Streuung. Quasielastische Streuung stört per Definition das diffundierende System nicht. Unsere Idee ist, Reflektometrie unter streifendem Einfall, eine weit verwendete Methode zur Charakterisierung von dünnen Schichten, mit kernresonanter Streuung zu verbinden und damit das Anwendungsgebiet von Untersuchungen mit Hilfe der Synchrotronstrahlung auf die Diffusion in Oberflächen und oberflächennahen Schichten zu erweitern. Folgende Aufgaben sind durchzuführen: 1. Konstruktion eines universellen Ultrahochvakuumsystems für die Untersuchung von empfindlichen Proben. Eine speziell für Streumethoden konstruierte Apparatur wird die Untersuchung von Schichtsystemen unter kontrollierten Vakuumbedingungen im Temperaturbereich 80 K - 1300 K erlauben. Eine einzigartige Eigenschaft dieser Apparatur ist die Möglichkeit, das epitaktische Wachstum von Schichtsystemen in situ zu messen. Diese Option führt automatisch zu einer Vielfalt von neuen Experimenten und erhöht wesentlich den Nutzwert einer solchen experimentellen Anlage. 2. Wir haben die Fähigkeit der kernresonanten Streuung, die Diffusion zu untersuchen, unter Beweis gestellt, allerdings war es nicht möglich die Diffusion innerhalb der Probe, in einer oberflächennahen Schicht und auf der Oberfläche zu unterscheiden. Durch eine Kombination der Reflektometrie unter streifendem Einfall und der Vorteile der resonanten Streuung wird es möglich sein die Diffusion an der Oberfläche und in einer oberflächennahen Schicht von metallischen Schichtsystemen zu untersuchen. Zusätzlich erhält man durch das Einstellen der Eindringtiefe durch eine einfache Änderung des Einfallswinkels die Möglichkeit ein Tiefenprofil zu messen. Die Experimente werden in Wechselwirkung mit ab initio Rechnungen der Energie-Landschaft an metallischen Oberflächen durchgeführt.

Dynamische Eigenschaften von Festkörpern sind von primärer Bedeutung für die Funktionsfähigkeit von Bauteilen auf der Nanoskala. Die Rolle der Oberfläche und von Grenzflächen zwischen zwei Materialien gewinnt mit schrumpfender Dimension der Baueinheiten immer mehr an Bedeutung. Darüber hinaus werden in kleinen Strukturen neue dynamische Phänomene erwartet. Da die Eigenschaften von Oberflächenstrukturen sich von jenen in den entsprechend groben Strukturen in Volumsproben unterscheiden, müssen neue Methoden entwickelt werden, um diese zu charakterisieren und zu modellieren. Ein effizienter Weg ist es, die extrem brillante Röntgenstrahlung von modernen Synchrotronquellen, wie z.B. die Europäische Synchrotronstrahlungsquelle ESRF, zu nutzen, um die dynamischen Eigenschaften unter Ultrahochvakuumbedingungen (UHV-Bedingungen) zu untersuchen. Ein gründliches Verständnis dieser Eigenschaften ist notwendig, um diese dann in funktionellen Nanobauteilen in Zuklunft maßschneidern zu können. Das wesentliche Ziel des Projektes war die Konstruktion einer universellen UHV-Apparatur, um die Diffusion in hochempfindlichen Proben, die durch Verdampfen von Metallen im UHV hergestellt werden, untersuchen zu können. Ein einzigartiges Merkmal der Apparatur ist die Möglichkeit, Proben in einem großen Temperaturbereich herzustellen, zu charakterisieren und auch während der Wachstumsphase in der Apparatur direkt am Synchrotron zu untersuchen. Das technisch raffinierte Design der Apparatur ist weltweit einzigartig. Dies hat zur Folge, daß es derzeit an keiner anderen Synchrotronanlage möglich ist, Untersuchungen dieser Art durchzuführen. Speziell die Untersuchungen einer Eisenmonolage auf Wolfram nutzten die vollkommen neuen Möglichkeiten der Apparatur und ermöglichten einen Vergleich mit theoretischen Rechenmodellen. Dieses System war lange Zeit das Modellsystem für eine Vielfalt an Untersuchungen, z.B. Dynamik, Wachstum und magnetische Phänomene. Die geringe Materialmenge - eine Schicht von Eisenatomen auf der Oberfläche von Wolfram - war die wesentliche Herausforderung bei den Experimenten. Zur Überrauschung aller Experimentatoren war das gemessene Signal viel stärker als erwartet. Die außergewöhnlich hohe Empfindlichkeit der Methode gestattete es sogar, die Diffusion von Restgasatomen auf der Probenoberfläche zu beobachten. Andere untersuchte Systeme waren intermetallische Phasen von Eisen mit Silizium bzw. Platin. Die gemessene Mobilität in der Nähe der Oberfläche weicht in beiden Fällen wesentlich von der Volumsdiffusion ab. Die experimentelle Anlage, entwickelt im Rahmen dieses Projekts, wird permanent genutzt, stets an den neuesten technologischen Stand angepasst und ständig erweitert. Diese Aktivitäten stärken zweifellos die österreichische Position auf dem Gebiet der Nanowissenschaften an Großforschungsanlagen.