Marco Walterfang :

Tiefenselektive Konversionselektronen-Mößbauerspektroskopie an ionenimplantierten Oberflächen und Heteroschichtstrukturen

Dissertation angenommen durch: Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg, Fakultät für Naturwissenschaften, Institut für Physik, 2003-12-18

BetreuerIn: Prof. Dr. Werner Keune , Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg, Fakultät für Naturwissenschaften, Institut für Physik

GutachterIn: Prof. Dr. Werner Keune , Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg, Fakultät für Naturwissenschaften, Institut für Physik
GutachterIn: Prof. Dr. Ralf Courths , Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg, Fakultät für Naturwissenschaften, Institut für Physik

Schlüsselwörter in Deutsch: Mößbauerspektroskopie, DCEMS, Konversionselektronen, Synchrotronstrahlung, Eisen, Silizium, Epitaxie, Gitterdynamik, Heteroschichtsysteme, inelastische kernresonante Streuung, Bosonpeak, Phononen Zustandsdichte, Gitterschwingungen, amorphe Legierungen
Schlüsselwörter in Englisch: Mössbauer spectroscopy, DCEMS, conversion-electrons, synchrotron radiation, iron, silicon, epitaxy, lattice dynamics, heterostructures, inelastic nuclear resonant scattering, Boson peak, phonon density of states, lattice vibrations, amorphous alloy

 
   
 Klassifikation     
    Sachgruppe der DNB: 530 Physik
 
   
 Abstrakt     
   

Abstrakt in Deutsch

In dieser Arbeit wurde die Methode der tiefenselektiven 57Fe-Konversionselektronen-Mößbauerspektroskopie (DCEMS) zur zerstörungsfreien metallurgischen Phasenanalyse ionenimplantierter Oberflächenschichten angewandt. Zudem wurde mittels inelastischer kernresonanter Streuung (INRS) von Synchrotronstrahlung direkt die eisenprojizierte Phononen-Zustandsdichte (VDOS) in kristallinem und amorphem β-FeSi2 gemessen.
Im ersten Teil dieser Arbeit wird eine umfassende Einführung in die DCEMS-Methode gegeben. Es konnte gezeigt werden, daß die in der Literatur beschriebenen Liljequistschen Gewichtsfunktionen für Absorber mit einer ähnlichen Massenzahl wie die des 57Fe sowohl im Bereich der K- als auch im Bereich der L-Konversionselektronen gelten. Zu diesem Zweck wurden verschiedene 57Fe-haltige Heterostrukturen untersucht.
Im zweiten Teil dieser Arbeit konnten die Anwendungsmöglichkeiten der DCEMS-Methode anhand von zwei technologisch interessanten Implantationssystemen demonstriert werden. Dabei wurden die Tiefenverteilungen der verschiedenen, durch die jeweiligen Implantationen entstandenen Phasen ermittelt.
(1) Die Implantation von Si-Ionen in α-Fe-Oberflächen führte zur Bildung von drei bei Raumtemperatur nichtmagnetischen Fe-Si-Phasen (c-FeSi (B2-Struktur, Si-Gehalt ~ 38 at.%, c-FeSix (B2-Struktur, Si-Gehalt ~ 32 at.% und ε-FeSi (B20-Struktur)) und einer magnetischen Phase (D03-artige Struktur, Si-Gehalt ~ 15 at.%. Die dominierende metastabile c-FeSi-Phase wurde mit molekularstrahlepitaktisch hergestellten c-FeSi-Filmen verglichen. Die c-FeSix-Phase resultiert aus einer statistischen Verteilung von überschüssigen Fe-Atomen auf Si-Gitterplätzen in der B2-Gitterstruktur. CEMS-Experimente liefern einen Hinweis darauf, daß c-FeSix und eventuell c-FeSi bei tiefer Temperatur (4.2 K) schwach magnetisch ordnen. Erstmals konnte auch die Existenz der ε-FeSi-Phase in Si-implantierten α-Fe-Oberflächen nachgewiesen werden. Temperungen bei 400 °C führten zu einer teilweisen Umwandlung des metastabilen c-FeSi in das stabile ε-FeSi und zur Bildung einer geordneten D03-Struktur (Fe3Si). Die Temperung bei 500 °C führte zu einem Verschwinden der nichtmagnetischen Phasen und zur Bildung von vornehmlich Fe3Si.
Zum Vergleich wurde auch an einer mittels Magnetron-Sputtern hergestellten Sendust-Schicht (Fe73.7Si16.6Al9.7) mit einer ungeordneten D03-artigen Struktur im as-sputtered-Zustand das Ordnungsverhalten nach verschiedenen Wärmebehandlungen mittels CEMS untersucht. Nach Temperung bei 500 °C befanden sich zwei Drittel aller Fe-Atome in einer geordneten D03-Struktur.
(2) Die Implantation von Fe-Ionen in Si-Wafer führte zu einer Koexistenz der α- und β-FeSi2-Phase über das gesamte Implantationsprofil. Eine nachfolgende schnelle Temperung (RTA, rapid thermal annealing: 900 °C, 30 s) führte aufgrund der Ostwald-Reifung zur Bildung einer relativ scharfen vergrabenen β-FeSi2-Schicht, bestehend aus 90 % β-FeSi2 und 10 % Si-Matrix.
Ar -Beschuß (3.5 keV) einer reinen mittels Ionenimplantation hergestellten β-FeSi2-Schicht führte innerhalb der 160 Å dicken sputtermodifizierten Schicht zu einer Umwandlung des halbleitenden β-FeSi2 in das metallische α-FeSi2. Dagegen bewirkte der Ar -Beschuß von mittels Ionenimplantation hergestellten α-FeSi2- und γ-FeSi2-Schichten keine Phasentransformationen.
Im dritten Teil dieser Arbeit wird erstmals über die Bestimmung der Fe-projizierten VDOS von kristallinem und amorphem β-FeSi2 mittels inelastischer kernresonanter Streuung (INRS) von Synchrotronstrahlung berichtet und mit Literatur-Ergebnissen aus Infrarot (IR)- und Raman-Messungen sowie inelastischer Neutronenstreuung verglichen. Im Gegensatz zur kristallinen Phase zeigt die amorphe β-FeSi2-VDOS bei kleinen Anregungsenergien (<10 meV) eine Abweichung vom Debye-Verhalten, die als 'Bosonpeak'interpretiert wird.

Abstrakt in Englisch

In this work the method of depth-selective 57Fe-conversion-electron Mössbauer spectroscopy (DCEMS) was employed for the nondestructive metallurgical phase analysis of ion-implanted surface layers. Moreover, the Fe-projected phonon density of states (VDOS) in crystalline and amorphous β-FeSi2 was measured directly by means of inelastic nuclear resonant scattering (INRS) of synchrotron radiation.
In the first part of this work a comprehensive introduction to the DCEMS method is given. It could be shown that Liljequist's weight functions reported in literature can be applied to absorbers with a similar atomic number to that of Fe within both, the range of K- and of L-conversion electrons. For this purpose different heterostructures containing 57Fe were investigated.
In the second part of this work the potential for applications of the DCEMS method could be demonstrated on the basis of two technologically interesting implantation systems. The depth distributions of the different phases resulting from the respective implantations were determined. (1) The implantation of Si-ions into α-Fe-surfaces led to the formation of three Fe-Si-phases being nonmagnetic at room temperature (c-FeSi (B2-structure, Si-content ~ 38 at.%), c-FeSix (B2-structure, Si-content ~ 32 at.%) and ε-FeSi (B20-Struktur)), and of a magnetic phase (D03-like structure, Si-content ~ 15 at.%). The dominating metastable c-FeSi-phase was compared to epitaxial c-FeSi-films prepared by molecular beam epitaxy. The c-FeSix-phase results from a statistical distribution of excess Fe atoms occupying Si sites within the B2-structure. CEMS-experiments give evidence of weak magnetic ordering of c-FeSix and possibly of c-FeSi at low temperature (4.2 K). For the first time the existence of ε-FeSi in Si-implanted α-Fe-surfaces was demonstrated. Annealings at 400 °C led to a partial transformation of the metastable c-FeSi into the stable ε-FeSi-phase and to the formation of an ordered D03-structure (Fe3Si). Annealing at 500 °C led to a disappearance of the nonmagnetic phases and primarily to the formation of Fe3Si.
For comparison also the order behavior of a Sendust-layer (Fe73.7Si16.6Al9.7), prepared by magnetron sputtering, with an unordered D03-like structure in the as-sputtered-state, was investigated after different thermal treatments by CEMS. After annealing at 500 °C two-thirds of all Fe-atoms were found to be in the ordered D03-structure.
(2) The implantation of Fe-ions into Si-wafers led to a coexistence of α- und β-FeSi2 over the whole implantation profile. A following fast annealing (RTA, rapidly thermal annealing: 900 °C, 30 s) led, due to Ostwald ripening, to the formation of a relatively sharp buried β-FeSi2-layer, consisting of 90 % β-FeSi2 and 10 % Si-matrix.
Ar -bombardment (3.5 keV) of a pure β-FeSi2-layer prepared by ion implantation led within the 160 Å-thick sputter-modified layer to a transformation of the semiconducting β-FeSi2 into the metallic α-FeSi2. On the other hand, Ar -bombardment of α-FeSi2- and γ-FeSi2-layers prepared by ion implantation did not cause any phase transformations.
In the third part of this work the determination of the Fe-projected VDOS of crystalline and amorphous β-FeSi2 by means of inelastic nuclear resonant scattering (INRS) of synchrotron radiation is reported for the first time. These results are compared with literature reports based on infrared (IR)- and Raman-measurements as well as inelastic neutron scattering. In contrast to the crystalline phase the amorphous β-FeSi2-VDOS shows a deviation from the Debye-behavior at small excitation energies (<10 meV), which is interpreted as 'Boson-peak'.