Abteilungsbericht 1998 der Abteilung Festkörperphysik der Universität Ulm
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I. Filme: Präparation und Charakterisierung
Die Untersuchung physikalischer Eigenschaften dünner Filme stellt einen der Schwerpunkte der Abteilung dar. Dabei lassen sich zwei typische Situationen unterscheiden:
Die Notwendigkeit dünner Filme ergibt sich hier häufig aus anwendungs- oder meßtechnischen Randbedingungen: Man möchte z.B. durch nachfolgende laterale Strukturierung möglichst kleine Sensoren oder elektrische Verbindungen herstellen, das Aufbringen einer Schicht mit Schutzfunktion soll die makroskopischen Abmessungen nicht verändern, Vergütungsschichten der Optik müssen Dicken auf der Skala einer Lichtwellenlänge besitzen, die Kombination mit Implantationstechniken, welche typischerweise Reichweiten von 100 nm aufweisen, verlangen für möglichst homogene Dotierprofile ebenfalls Filmdicken, die in der Größenordnung der Reichweite liegen.
Die obige Forderung an die Filmeigenschaften verlangt meist, daß die Proben möglichst frei von Defekten und Fremdatomen sind. Daraus leiten sich wiederum sehr stringente Anforderungen an die Filmpräparation ab. In vielen Fällen hat man Ultrahochvakuum- (UHV) Bedingungen vor und während der Filmherstellung zu garantieren kombiniert mit Wachstumsparametern, die ein epitaktisches Filmwachstum auf einkristallinen Substraten ermöglichen. In diesen Fällen hat sowohl die Reinigung und Endkontrolle der Substrate wie auch die Kontrolle des Wachstums und der resultierenden Filmeigenschaften weitestgehend in situ zu erfolgen. Die angewandte Technik der Filmherstellung hängt meist vom Filmmaterial selbst ab und muß individuell optimiert werden. In der Abteilung stehen hierzu verschiedene Varianten von Aufdampf- und Sputtermethoden sowie die Laserablation zur Verfügung.
Solche neuen Eigenschaften können sich dadurch einstellen, daß eine der Filmabmessungen klein im Vergleich zu einer charakteristischen Länge der betrachteten Eigenschaft wird. Im Fall der elektrischen Leitfähigkeit stellt z.B. die mittlere freie elastische oder inelastische Weglänge l eine solche Längenskala dar und Filme mit Dicken D < l zeigen typische ‚Size-Effekte‘, der spezifische elektrische Widerstand hängt dann von der Filmdicke ab. In diesem Zusammenhang ist auch der Effekt der ‚schwachen Lokalisierung‘ zu nennen mit einem unerwarteten Wiederanstieg des Widerstands bei tiefen Temperaturen. Hier wird durch Temperaturerniedrigung die inelastische frei Weglänge größer als die Filmdicke, der Film wird bezüglich der Leitfähigkeit 2-dimensional. Entsprechende charakteristische Längenskalen gibt es auch für Eigenschaften des Magnetismus und der Supraleitung. Filme erlauben auch die Realisierung des extremsten Falls einer Dimensionseinschränkung, die Herstellung 0-dimensionaler Systeme, für welche Quanteneffekte immer dominierender werden mit eben völlig neuen, häufig unerwarteten Eigenschaften.
Während in den bisher genannten Fällen Gitterdefekte oder, allgemeiner, Unordnung in einem der Teilsysteme eher vermieden werden sollte, erlauben Dünnfilmtechniken aber gerade diese Parameter systematisch zu verändern. Dazu können schnelle Abschreckprozesse bei der Filmherstellung ausgenützt werden oder Ionenbestrahlung während des Filmwachstums oder nach der Herstellung. Diese Methoden stehen stellvertretend für alle möglichen Nicht-Gleichgewichtsherstellungstechniken. Die daraus resultierenden metastabilen Filme zeigen ebenfalls häufig völlig neue physikalische Eigenschaften. Beispiele sind amorphe oder nanokristalline Metalle mit auch für die Anwendung sehr attraktiven physikalischen Parametern. Im Anwendungsfall muß dann natürlich die Umwandlungstemperatur der metastabilen Phase über der Anwendungstemperatur, z.B. Raumtemperatur liegen, was aber häufig erreicht werden kann.
Im Falle der obigen metallischen Gläser ist der hohe Unordnungsgrad entscheidend für die resultierenden Eigenschaften. Umgekehrt muß aber nicht jedes metastabile System einen hohen Grad an Unordnung aufweisen. Es ist durch Anwendung von Dünnfilmtechniken durchaus auch möglich, neue metastabile kristalline Legierungen oder Zwangslösungen zu präparieren mit äußerst interessanten Eigenschaften. Ein Paradebeispiel für solche kristalline metastabile Systeme mit hohem Anwendungspotential sind Diamantfilme, hergestellt durch CVD-Techniken bei niedrigen Drücken und relativ niedrigen Temperaturen.
Eine weitere Variante der Filmtechniken ist die Herstellung von Doppel- und Vielfachschichten mit ebenfalls häufig völlig neuen mechanischen, elektrischen, supraleitenden und magnetischen Eigenschaften. Im letzteren Fall haben sich speziell Kombinationen magnetischer und nicht-magnetischer Schichten, welche einen ‚giant magnetoresistance‘ zeigen, als besonders physikalisch interessant und anwendungsrelevant gezeigt.
Diese wenigen Bemerkungen mögen genügen, um die Breite des Gebiets ‚Dünner Filme‘ anzudeuten, sein Anwendungspotential, aber auch die physikalischen Grundlagenfragen, die mit ihm verbunden sind. Zusammen mit der experimentellen Herausforderung, die häufig aus dem Zwang zur in situ Kombination von Präparations- und Meßmethoden folgt, ergibt sich die physikalische Attraktivität dieses Arbeitsgebietes.