Im Verlauf der letzten fünf Jahre konnte von uns gezeigt werden, daß es an Grenzflächen von (A/B)-Doppelschichten selbst bei tiefen Temperaturen (typisch 100 K, aber auch noch darunter) zu Reaktionen kommen kann, welche zu metastabilen, häufig amorphen Phasen führen. Diese Grenzflächenreaktionen sind allerdings in ihrer Ausdehnung auf eine Länger kleiner 3-5 nm beschränkt. Darin unterscheiden sie sich wesentlich von der Festkörperamorphisierung wie etwa im System Ni/Zr, wo eine langreichweitige Diffusion in Verbindung mit einer Festkörperreaktion in ihrer amorphen Phase resultiert. Im Falle unserer Grenzflächenreaktionen führt dagegen langreichweitige Diffusion stets zur Bildung kristalliner Gleichgewichtsphasen.

Um solche räumlich begrenzten Reaktionen zur Präparation 'dicker' Filme der entsprechenden Grenzflächenphase ausnützen zu können, hat man (A/B)-Vielfachschichten herzustellen mit einer Wiederholungslänge, welche kleiner als die Reaktionstiefe ist. Als Beispiel sei hier das System (0.4 nm Au/1.2 nm In)n genannt, an welchem die genannte Möglichkeit zum ersten Mal nachgewiesen wurde.

Ein Problem stellt der in situ Nachweis der Grenzflächenreaktion bei tiefen Temperaturen dar. Im Falle von Doppel- und Multi-Schichten erweist sich die Bestimmung des elektrischen Widerstandes als Funktion der Gesamtschichtdicke (Schwingquarz-Messung) als sehr empfindlich und hilfreich, speziell, wenn die spezifischen Widerstände möglicher metastabiler Phasen bereits bekannt sind. Die Technik läßt sich allerdings für Reaktionen auf 'bulk'-Proben nicht mehr anwenden.

Diese sind aber von grundsätzlicher Bedeutung, da sich die Frage stellt, ob die Grenzflächenreaktionen auch auf Einkristallen stattfinden und falls ja, ob für ein (A/B)-System eine starke Asymmetrie der Reaktion auftritt, je nachdem, welcher der beiden Partner als Einkristall vorliegt. Solche Effekte wurden gerade für die Festkörperamorphisierung wie etwa im System (Ni/Zr) berichtet. Es hat sich gezeigt, daß zum Nachweis der Grenzflächenreaktion in diesen Fällen die Energieverlustspektroskopie niederenergetischer Elektronen (typische Einfallsenergie 100 eV) besonders geeignet ist. Auch die Kombination von Auger-Spektroskopie und EELS kann weitere Informationen über Reaktionen liefern. Diese Messungen haben stets in situ bei tiefen Temperaturen stattzufinden.

Bildet sich bei Grenzflächenreaktionen eine amorphe Phase, so läßt sich diese natürlich kristallisieren und die gefundene wohl-definierte Kristallisationstemperatur Tx läßt sich als weiteren 'finger-print' benutzen.

In der geschilderten Art wurden bisher die Systeme (In/Au)n, (Al/Au)n, (Pd/In)n, (Sb/Au)n hergestellt und untersucht. In allen Fällen wurden unabhängig von der Herstellungstechnik (Sputttern, Aufdampfen) amorphe Phasen beobachtet. In Kooperation mit einer Baseler Spektroskopiegruppe (Prof. Dr. P. Oelhafen, PD Dr.H.-G. Boyen) konnten diese Grenzflächenphasen auch spektroskopisch nachgewiesen werden. Die Ergebnisse sind dargestellt in den folgenden Publikationen:

Multiple Low Temperature Interface Reactions - An Alternative Route into the Amorphous State of Metallic Alloys, M. Seyfert, A. Siber, P. Ziemann; Phys. Rev. Lett. 67, 3792 (1991)

Anomalous Interface Resistance of Low Temperature Sputtered In/Au-Bilayers, M. Seyfert, A. Siber, P. Ziemann; Thin Solid Films 208, 197 (1992)

Formation of an Ultrathin Amorphous Layer at In/Pd-Interfaces Observed by Local and Non-Local Techniques, R. Fink, Th. Koch, G. Krausch, J. Marien, A. Plewina, B.-U. Runge, G. Schatz, A. Siber, and P. Ziemann; Phys. Rev. B, Rapid Commun. 47, 10048 (1993)

Formation of Amorphous Al1-xAux Films as a Consequence of Low-Temperature Al/Au-Interface Reactions in a Mulilayered System, A. Siber, J. Marien, Th. Koch, and P. Ziemann; Appl. Phys. A 57, 267 (1993)

Intermixing at Au-In and Pd-In Interfaces at 90 K as Observed by in situ Auger Electron and Electron Energy Loss Spectroscopy, Th. Koch, A. Siber, J. Marien, and P. Ziemann; Phys. Rev. B 49, 1996 (1994)

Low-Temperature Interface Reactions in Layered Au/Sb Films: In-Situ Investigation of the Formation of an Amorphous Phase, H.-G. Boyen, A. Cossy-Favre, P. Oelhafen, A. Siber, P. Ziemann, C. Lauinger, T. Moser, P. Häussler, F. Baumann; Phys. Rev. B 51, 1791 (1995)

Multilayers - A Way to prepare Metastable Phases by Multiple Interface Reactions, A. Siber, D. Massinger, Th. Koch, and P. Ziemann; Thin Solid Films, erscheint 1996

Grenzflächenreaktionen bei tiefen Temperaturen müssen nicht immer in metastabilen amorphen Phasen resultieren. Ein Beispiel, wo eine solche Reaktion zu einer metastabilen Festkörperlösung führt, ist (Pd/Bi)n. Während die Gleichgewichtslöslichkeit für Bi in Pd bis zu 17 at.% reicht, konnten über Grenzflächenreaktion im System (Pd/Bi)n mit Einzelschichtdicken von 1 nm und 0.8 nm bei Temperaturen von 140 K bzw. R.T. Lösungen bis zu max. 32 at.% erreicht werden. Diese sind stabil bis etwa 450 K, wo sie sich in die Gleichgewichtsphase mit 17 at.% Bi und Bi-Ausscheidung umwandeln. Erst bei noch höheren Temperaturen bilden sich die Phasen entsprechend dem Gleichgewichtsphasendiagramm.

Das (Pd/Bi)-System stellt somit eventuell ein Beispiel dar, anhand dessen die 'Precursor'-Rolle von metastabilen Lösungen auf dem Weg in die amorphe Phase studiert werden kann. Diese Untersuchungen sind noch nicht abgeschlossen.

Ansprechpartner: Prof. Dr. P. Ziemann

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