Towards Atom Probe Crystallography of Thin Films

Titel in Übersetzung: Atomsonden-Kristallografie von dünnen Schichten

Daniel Rainer

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenMasterarbeit

Abstract

Atomsondentomographie ist eine Charakterisierungsmethode, bei der ein definiertes Probenvolumen mit nahezu atomarer Auflösung dreidimensional abgebildet und gleichzeitig chemisch analysiert werden kann. Die Untersuchung der räumlichen Verteilung der Atome mithilfe der Atomsonde wird häufig als Atomsonden-Kristallografie bezeichnet. Diese Untersuchungsmethode kann beispielsweise eingesetzt werden, um Ordnungsprozesse in Metalllegierungen zu analysieren. Eine weitere vielversprechende Anwendung könnte die Untersuchung der atomaren Anordnung in dünnen Schichten sein. Demzufolge könnte das Verständnis der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen der dünnen Schichten weiter vertieft werden. Die Kombination der generierten kristallografischen und chemischen Information kann daher dazu beitragen, bestehende Schichtsysteme zu verbessern oder neue zu entwickeln. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Anwendbarkeit der Atomsonden-Kristallografie an dünnen Schichten zu betrachten. Aufgrund der vielseitigen und breiten Anwendung wurde TiN als Modell-Dünnschichtmaterial ausgewählt. Aus dieser TiN Schicht wurden einkristalline Atomsondenproben, orientiert entlang der kristallografischen Hauptrichtungen <100>, <110> und <111>, präpariert. Geeignete Stellen für die Probenentnahme wurden durch Elektronenrückstreubeugung ermittelt. Die Orientierungen der Atomsondenproben entlang der beabsichtigten Desorptionsachse in der Atomsonde wurden mittels Durchstrahlungs-Kikuchi-Beugung verifiziert. Simulationen wurden durchgeführt, um die theoretischen Ergebnisse des Feldverdampfungsprozesses von einkristallinem TiN zu ermitteln. Die Oberflächenstrukturen der Proben wurden mithilfe der Feldionenmikroskopie betrachtet. Des Weiteren wurden die Proben mittels Feldverdampfung in der Atomsonde untersucht. An den generierten Datensätzen wurden verschiedene Filterungstechniken angewandt, um zusätzliche kristallografische Information zu extrahieren. Die Ergebnisse der Elektronenrückstreu- und Durchstrahlungs-Kikuchi-Beugung zeigen die gewünschten <100>, <110> und <111> Orientierungen der TiN Atomsondenproben. Die Simulationen ergaben, dass die Felddesorptionsbilder, trotz der NaCl-Struktur von TiN, denen der kubisch primitiven Kristallstruktur entsprechen. Konventionelle Feldionenmikroskopie liefert keine Information über die Kristallografie von TiN. Die Felddesorptionsbilder, sowohl im Spannungs- als auch im Lasermodus generiert, liefern ebenfalls keine eindeutigen kristallografischen Daten. Im Allgemeinen sind die Anteile der Ionen-Mehrfachtreffer am Detektor in den Experimenten von TiN hoch (>50%) und limitieren womöglich die extrahierbare kristallografische Information. Es zeigt sich, dass das Exkludieren von Mehrfachtreffern und das Darstellen der Einzeltreffer (oder vice versa) zu einer verbesserten Sichtbarkeit von Polen und Zonenlinien führen kann. Das Exkludieren von Atomen, die eine höhere Anzahl von Impulsen zum Feldverdampfen benötigen, und die Darstellung der Daten nach der benötigten Anzahl von Impulsen zeigt keine Pole oder Zonenlinien im Fall von TiN. Es ist sowohl im Spannungs- als auch im Lasermodus möglich, Gitterebenen innerhalb von Abbildungen, die die gemittelte räumliche Verteilung der Atome zeigen, aufzulösen.
Titel in ÜbersetzungAtomsonden-Kristallografie von dünnen Schichten
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDipl.-Ing.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Mitterer, Christian, Betreuer (intern)
Datum der Bewilligung30 Juni 2023
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2023

Bibliographische Notiz

nicht gesperrt

Schlagwörter

  • Atomsondentomographie
  • Atomsondenkristallografie
  • Dünne Schichten
  • Kristallografie
  • TiN
  • Titannitrid

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