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Substratpräparation
Bei der Untersuchung von dünnen Filmen muss stets Augenmerk auf die Wahl des Trägermaterials („Substrat“) der Dünnfilme gelegt werden. Die Ordnung und Struktur der Substrat-Oberfläche kann die Eigenschaften des adsorbierten Materials beeinflussen. Man unterscheidet zwischen drei Typen von Festkörperoberflächen:
1. Einkristallin (Metalle, Metalloxide, Alkalihalogenide…)
Während in technischen Anwendungen aufgrund ihrer niedrigen Kosten und vergleichsweise einfachen Präparation in der Regel polykristalline Oberflächen Anwendung finden, sind Einkristalle für die genaue Untersuchung mikroskopischer Prozesse auf Oberflächen unverzichtbar. Dabei werden in Experimenten verschiedene kristallographische Oberflächenorientierungen von Metall- oder Metalloxid-Einkristallen untersucht, die durch Spalten entlang der kristallographischen Achsen des Festkörpers erreicht werden.
Wichtig für die Anwendung sind vizinale Oberflächen, d.h. gestufte Oberflächen von Einkristallen. Man erhält sie durch Spalten an einer Achse, die um einen kleinen Winkel relativ zu einer Oberfläche mit niedrigen Indices verschoben ist (Fehlschnittswinkel). Auf diese Weise entsteht eine Oberfläche mit Terrassen, die jeweils in ihrer atomaren Anordnung der der niedrig indizierten Oberfläche entsprechen und um monoatomare Stufen versetzt sind. Auf diese Weise kann beispielsweise der Einfluss von Defekten wie Stufenkanten experimentell nachvollzogen werden.
Reale Oberflächen weichen i.d.R. vom idealen Schnitt eines Einkristalls ab. Die ideale Symmetrie kann zum Beispiel durch auftretende Entspannung oder Rekonstruktion der Oberfläche gebrochen werden oder durch das Vorhandensein unausgeglichener Bindungen in der obersten Atomebene.
2.) Polykristallin (meist technisch, z.B. Metalle, Pulver...)
Links: Kupfer, rechts: Silizium
3.) Amorph (fehlende Fernordnung, z.B. SiO2, Polymere …)
Amorphe Oberflächen sind isotrop, dementsprechend ordnen adsorbierte Moleküle ohne präferierte Wachstumsrichtung, was z.B. XRD-Messungen erleichtert. Es entsteht eine Struktur, die der des freien Festkörpers sehr ähnlich ist. Einige Moleküle zeigen für Dünnfilme mit Dicken kleiner 100nm eine gegenüber der Festkörperstruktur im Prozentbereich veränderte Struktur, die meist als „Dünnfilm-Phase“ bezeichnet wird.
Ein weit verbreitetes amorphes Substrat ist Siliziumdioxid (SiO2), das sich in Form einer nativen Oxidschicht auf kommerziell erworbenen, einkristallinen Silizium-Wafern ausbildet. Diese Oberfläche ist auf einer Fläche von vielen µm atomar glatt.
Im Folgenden sind knapp Beispiele von Substraten erläutert, die wir in unseren Experimenten benutzen:
Metalloxide:
Normalerweise werden Gruppe-11-Metalle (Cu, Au, Ag; auch Münzmetalle genannt) verwendet. Ihre hohe Oberflächenbindungsenergie induziert starke Molekül-Substrat-Kopplung in der ersten Monolage. Diese ist meist stärker gebunden als höhere Lagen. Durch gezieltes Abheizen höherer Lagen kann somit eine definierte, einzelne Moleküllage erzeugt werden, die wiederum als Substrat für weitere Schichten genutzt werden kann. Selbiges gilt für Self Assembling Monolayers (SAMs), deren Ankergruppe gut an Münzmetallen haften bleibt.
Langreichweitig atomar glatte Metalloberflächen herzustellen ist dagegen ein langwieriger Prozess. Dieser kann dadurch erleichtert werden, dass per physikalischer Gasphasenabscheidung („Aufdampfen“, PVD) lediglich einige hundert nm des gewünschten Metalls auf das Schichtsilikat „Mica“ aufgebracht werden. Es bilden sich gut geordnete Metallschichten in (111)-Orientierung aus, die in wenigen Präparationsschritten, i.d.R. mehrere Zyklen Ionenätzen und Heizen im Vakuum, in ausreichend guter Qualität präpariert werden können und somit eine günstige Alternative zu den präparativ aufwändigeren Einkristallen darstellen.
Metalloxide
Einkristalle (TiO2, ZnO) sind transparente leitfähige Oxide und dadurch viel versprechend für die Anwendung in Photovoltaik und –katalyse. Die Transparenz ermöglicht optische und spektroskopische Charakterisierung von adsorbierten Schichten. In Experimenten kommen auch polykristalline Metalloxide (Pulver) zum Einsatz, zudem ist nativ oxidiertes Silizium als amorphe Oberfläche in der Kategorie anzusiedeln.
Alkalihalogenide
Anorganische Salze wie KCl und NaBr bieten höchst geordnete Oberflächen bei gleichzeitiger Transparenz. So weisen die meisten molekularen Adsorbate eine präferierte Wachstumsrichtung relativ zur Anordnung der Oberflächenatome auf, die bei ausreichend großer Domänenbildung, exklusiv optisch und spektroskopisch untersucht werden kann. Sie stellen ein interessantes Modellsystem für die Charakterisierung von Wachstumsphänomenen dar. Hergestellt werden Alkalihalogenid-Substrate durch Abspalten von kommerziell erwerbbaren, einkristallinen Stäben.