The purpose of this thesis is to study the relation between surface optical anisotropy of polyimide thin film with different rubbing strength and liquid crystal alignment by means of reflection anisotropy spectroscopy (RAS). We discuss the surface properties of rubbed polyimide thin film by measuring the surface roughness, surface free energy and pretilt angle. RAS is a non-contact optical probe of surfaces. It measures the difference in reflectance of normal incidence linearly polarized light between two orthogonal directions in the surface plane, and we can obtain the surface character of sample by analyzing the signals. It is isotropic of polyimide thin film surface without rubbing, and reflection anisotropy (RA) signal is zero. The non-zero RA signal, i.e. anisotropic of surface, is revealed because of rubbed polyimide thin film surface. The RA signal is increasing with an increase in rubbing strength. In the results, we found that the pertilt angle is increasing with a decrease in surface free energy, and discovered the correlation between RA signal strength of characteristic wavelength and pretilt angle of liquid crystal at the rubbed polyimide thin film.

Materials in nuclear reactors and satellites experience continually damaging radiation which leads to their degradation over time. Currently, a materials safe working lifetime within these environments is estimated with a large, costly, safety margin. The work of this thesis aims to improve the usefulness of an optical technique known as reflection anisotropy spectroscopy (RAS), which once fully characterised could allow materials to be actively monitored in such environments. The intrinsic optical anisotropy of the Cu(110) surface has been exploited to study nanoscale kinetics of ion bombarded surfaces. Within the Cu(110) RA spectrum the 2.1eV peak is particularly sensitive to surface defects and largely unaffected by the bulk of the substrate. Using the Poelsema-Comsa model (which assumes defects scatter surface electronic states within a patch centred on the defect) it can be demonstrated that at finite temperatures the decay of the 2.1eV peak contains information relating to the diffusion of surface defects. A kinetic Monte Carlo simulation has been created to model the destruction of this peak and allows further understanding of the diffusion processes involved. The decay of the 2.1eV peak with ion bombardment has been successfully modelled for a range of temperatures using experimental RAS data for comparison. Through a novel way of analysing RAS data, it has been shown that the total scattering cross section per ion impact decreases with bombardment time, which it is believed to be due to surface diffusion. This could give a novel way of measuring surface diffusion directly from RAS measurements. Clustering of ion induced surface defects has been analysed and the results found are consistent with STM images of the same surface obtained 30 minutes after bombardment. While molecular dynamics calculations have previously attempted to predict the surface topology and defect clustering nanoseconds after impact, using a kinetic Monte Carlo simulation improves on this, demonstrating that diffusion on long time scales (currently inaccessible using molecular dynamics calculations) play an important role in predicting nano-surface topology. 2.1eV peak recovery after surface damage by ion bombardment was also investigated. The peak was found to recover at finite temperatures, which is also seen in experimental data. It was concluded that the surface diffusivity values in the literature are too high and a new value for diffusivity has been calculated by comparing simulation and experimental data.

Reflectance anisotropy spectroscopy is a non-contact technique for surface detection. which means through the optical reflection from surface of the substrate measured. Because of its high sensitivity, RAS is used for in real-time control of semiconductor epitaxy. On our study, RAS is used to study the surface characteristics of liquid crystal alignment layer. We used rubbing for polyimide film to achieve alignment purposes. The rubbing strength is determined by adjusting the pile impress and the number of rubbed. We found that the anisotropy spectroscopy will appear after rubbing. And the strength of RA signals changes with photon energy of the probe beam. The pretile angle of the liquid crystal sandwiched in between rubbed PI show certain degree correlation with RA strength. In addition, using surface free energy measurement to explore the relationship with pretilt angle and try to connect three of them. We also tried to measure the reflection signal from the sample back. We found the signal of sample back would decay in UV region and it may be a result of UV absorption in the substrate.

Rubbing on polyimide thin film surface is an important procedure of alignment in the commercial display industry. Present on the surface of friction anisotropy, there will be corresponding to the pre-tiltangle. Monitoring and quality controlling of rubbing procedure will be the major issue. Reflection Anisotropy Spectroscopy is a powerful monitoring technology. Reflection Anisotropy Spectroscopy is a non-destructive detective system. Through optical method we could get property of our samples without damaging. After our process of survey, samples could be used in next manufactured step. In this thesis, we detected that monomers would occur some changes in a small amount in room temperature. We could find those changes effect the peak region of RA spectra and the feature in pretilt angle.

Reflection anisotropy spectroscopy (RAS) is a non-destructive optical technique which can be used to measure the surface properties of sample. We use the technique to detect the optical anisotropy of rubbed polyimide thin film. Atomic force microscopy study of rubbed polyimide showed that rubbing produced microgrooves on the surface of the polyimide thin films, and the surface roughness of the polymer thin films increased slightly with the rubbing strength. Reflection anisotropy signals have been found to be generated on the surface of polyimide thin film on completion of mechanical rubbing, and will increase with an increase in the rubbing strength. We also tried to find out the correlation between RA strength of the polyimide alignment layer and pretilt angle of liquid crystal at the rubbed polyimide films.

The development and control of nanoscale properties is a major goal in science and technology; for the development of such technologies it is important that there are experimental techniques which allow the monitoring of development processes in real time and in a range of environments. With this in mind much effort has been invested in the development of surface sensitive optical probes. One such technique, reflection anisotropy spectroscopy (RAS), has been applied successfully to a number of different problems since its development in the mid 1980’s. RAS as a surface specific technique is very sensitive to small changes to surface morphology, electronic structure and molecular orientation. This makes RAS a useful technique to study nanoscale changes occurring at surfaces and it is applied here to three such systems, in an attempt to develop a better understanding of both the systems and the technique. Surface defects arising from thermal processing and etching of the sample are considered and are found to have a significant effect on both the electronic structure and the morphology of the surface. The time and temperature dependences of the RAS signatures allow the monitoring of surface dynamic processes. The deposition of a monolayer of adsorbate molecules onto the surface allows a new interface to be created. Monitoring the evolution of this surface during deposition provides information about both the substrate surface and the adsorba te covered surface; a theoretical framework has been outlined to show how the sources of anisotropy from multiple thin film layers combine to give a RAS signal. Azimuth dependent RAS (ADRAS) is known to provide information on surface symmetry and can be used to determine molecular orientation. There are also a number of other angles which affect the RA spectrum from a sample. A tilted molecule causes a breakdown in surface symmetry; this work shows how such an effect can be observed.

Spectroscopic second-harmonic generation (SHG) and reflectance-anisotropy spectroscopy (RAS) are used to probe molecular adsorption on clean reconstructed single-domain stepped Si(001) in ultra-high vacuum (UHV). We implement a simplified bond hyperpolarizability model (SBHM) as a common microscopic analysis for SHG and RAS. Three different scenarios are studied: (i) The dissociative adsorption of molecular hydrogen on dangling bonds of D[subscript B] step-edges. (ii) Structural changes to rebonded r-D[subscript B] steps induced by exposure to atomic hydrogen. (iii) The adsorption of cyclopentene on Si(001)(2x1) terrace dimers in a [2+2] cycloaddition pathway. Using the SBHM we develop a new optical fingerprinting method to isolate, identify and monitor individual types of bonds (e.g. dimers, rebonds, dangling bonds, backbonds) and their chemical activity on a single-domain stepped Si(001) surface using nonresonant, but rotationally-anisotropic, second-harmonic generation (RA-SHG). The methods presented here will be applicable to many material systems and allow to track, in-situ and in real-time, the chemical action of adsorbates on surfaces. / text

In the thesis CuPc thin films were investigated by (in situ) SE and RAS, which are employed to determine the out-of-plane and in-plane optical anisotropy and molecular orientation, respectively. CuPc is a promising candidate of organic semiconductors used in organic field effect transistors, organic light emitting diodes and organic solar cells. Vicinal Si(111) substrates are interesting due to the in-plane anisotropy caused by the steps and terraces on the surface. The strength of in-plane anisotropy of vicinal Si(111) is dependent on the offcut angle. The influence of offcut angle on out-of-plane and in-plane molecular orientation in CuPc thin films is explored. The in situ investigation of CuPc films suggests that structural changes occur during film growth. In addition, two different surface modification layers were utilized to examine the effect on CuPc molecular orientation: OTS monolayer with upright standing molecules and PTCDA layers with flat lying molecules. Metal-organic interface plays an important role in organic electronic devices. In-CuPc is chosen to be an example system investigated employing in situ SE and RAS. When In was thermally evaporated onto CuPc film, In atoms firstly diffuse into the CuPc film underneath and then aggregate to form clusters on top. Hafnium dioxide (HfO2) is currently a hot topic to replace the conventionally used SiO2 as gate dielectrics in order to minimize leakage current when further scaling down microelectronic devices. Since HfO2 films are often crystalline, in order to obtain amorphous films which are beneficial to minimize leakage current, aluminum oxide (Al2O3) (k value: 9) which stays amorphous at much higher temperatures are combined to overcome this difficulty. Two series of ultra-thin samples were deposited by atomic layer deposition: mixed layers HfxAl1-xOz and bilayers HfO2 on Al2O3. Optical constants and bandgap are determined using SE in the energy range of 0.7-10 eV. It is found that the (effective) optical bandgap of both mixed layer and bilayer structures can be tuned by the film composition. Aging effect of high-k films was observed after storage of samples in air for two months, which is attributed to further oxidation of the dielectric films caused by the oxygen diffusion from ambient air to high-k films. / In dieser Arbeit werden dünne Schichten aus Kupferphthalozyanin (CuPc) mittels spektroskopischer (in-situ) Ellipsometrie (SE) und (in-situ) Reflektions-Anisotropie-Spektroskopie (RAS) untersucht, um die optische Anisotropie in einer Ebene parallel und senkrecht zur Schichtoberfläche und die molekulare Orientierung zu bestimmen. CuPc ist ein aussichtsreicher Kandidat als organischer Halbleiter in organischen Feldeffekt-Transistoren, organischen Leuchtdioden und organischen Solarzellen. Vizinale Si(111)-Substrate sind wegen der Anisotropie in der Substratebene interessant, die durch die Treppen und Terrassen auf der Oberfläche verursacht wird. Die Stärke der Anisotropie der vizinalen Si(111)-Oberfläche ist vom Schnittwinkel (Offcut) abhängig. Es wird der Einfluss des Offcut-Winkels auf die molekulare Orientierung in dünnen CuPc-Schichten parallel und senkrecht zur Substratoberfläche untersucht. Die in-situ Untersuchungen von CuPc-Schichten weisen darauf hin, dass strukturelle Veränderungen beim Wachstum auftreten. Darüber hinaus wurden zwei unterschiedliche Oberflächenmodifizierungsschichten, um deren Wirkung auf die molekulare Orientierung von CuPc zu untersuchen, verwendet: eine OTS-Monoschicht mit aufrecht stehenden Molekülen und PTCDA-Schichten mit flach liegenden Molekülen. Metall-organische Grenzflächen spielen eine wichtige Rolle in organischen elektronischen Bauelementen. In-CuPc wird als Beispiel für ein Metall-organisches System durch in-situ SE und RAS untersucht. Wenn In thermisch auf eine CuPc-Schicht aufgedampft wird, diffundieren In-Atome zunächst in die darunterliegende CuPc-Schicht und bilden dann Cluster auf der Schicht. Hafniumdioxid (HfO2) ist ein heißer Kandidat für das Ersetzen des herkömmlich als Gate-Dielektrikum verwendeten SiO2 mit dem Ziel, die Leckströme bei der weiteren Verkleinerung mikroelektronischer Bauelemente zu minimieren. Um amorphe Schichten, die vorteilhaft zur Minimierung der Leckströme sind, zu erhalten, werden die HfO2-Schichten, die oft kristallin sind, mit Aluminiumoxid (Al2O3) (k-Wert: 9) kombiniert, das bei wesentlich höheren Temperaturen amorph bleibt. Zwei Serien von ultra-dünnen Proben wurden durch Atomlagenabscheidung hergestellt: Mischschichten HfxAl1-xOz und Doppelschichten HfO2 auf Al2O3. Die optischen Konstanten und Bandlücken wurden mittels SE im Energiebereich von 0,7 bis 10 eV bestimmt. Es hat sich gezeigt, dass die (effektive) Bandlücke der Misch- und Doppelschichten durch die Komposition abgestimmt werden kann. Nach Lagerung der High-k-Schichten für zwei Monate an Luft konnte ein Alterungseffekt beobachtet werden. Dieser wird auf die weitere Oxidation der dielektrischen Schichten, die durch Sauerstoffdiffusion aus der Umgebungsluft in die High-k-Schichten ermöglicht wird, zurückgeführt.

Die polare magnetooptische Kerr-Effekt-Spektroskopie (MOKE) wird in dieser Arbeit zum ersten Mal zur Charakterisierung paramagnetischer Schichten eingesetzt. Die Schichten bestehen aus Phthalocyanin-Molekülen (H2Pc, VOPc, MnPc, CoPc und CuPc), die sich als Modellsystem zur Untersuchung des Einflusses des Molekülzentrums auf die elektronischen Zustände eignen. Die optischen Konstanten und die Dicken der Schichten werden mittels Ellipsometrie bestimmt. Mithilfe eines optischen Schichtmodells wird aus den Ellipsometrie- und MOKE-Daten die Voigt-Konstante, ein magnetooptischer Materialparameter, berechnet. Der Einfluss des Molekülzentrums auf die energetische Dispersion der Voigt-Konstante ist moderat. Vergleichsweise groß ist der Einfluss der Orientierung der Moleküle auf die Größe der Voigt-Konstante. Daher kann diese als Maß für den Aufstellwinkel des planaren CuPc herausgestellt werden. Darüber hinaus wird am Beispiel von CuPc gezeigt, dass sich die strukturelle Ordnung in molekularen Schichten mittels Reflexions-Anisotropie-Spektroskopie quantifizieren lässt. Die MOKE-Spektroskopie wird zusammmen mit MOKE-Magnetometrie auch zur Untersuchung von Eisen-Platin-Schichten mit Schichtdicken um 5 nm auf thermisch oxidiertem Silizium verwendet. Hier wird der Einfluss von eindiffundiertem Kupfer auf die magnetischen Eigenschaften Remanenz, Koerzitivität und magnetische Anisotropie der Schichten untersucht. Dabei wird neben der in Form einer Unterschicht bereitgestellten Kupfermenge die Temperatur variiert, bei der das Kupfer diffundiert. Die Magnetometrieuntersuchungen ergeben, dass Kupfer die magnetischen Eigenschaften der Eisen-Platin-Schichten verbessert, das Optimum des Kupfergehalts aber deutlich unter 20% liegt. Die optimale Mischtemperatur beträgt 600°C. Durch die Anwendung der MOKE-Spektroskopie wurde im Rahmen dieser Arbeit erstmals die Präsenz einer Feinstruktur der magnetooptischen Übergänge aus den 3d-Zuständen des Eisens entdeckt. Durch Vergleichsmessungen mit Schichten anderer Schichtdicke und auf anderen Substraten kann diese Feinstruktur mit mechanischen Verspannungen an der Grenzfläche zum Substrat in Verbindung gebracht werden.

Die polare magnetooptische Kerr-Effekt-Spektroskopie (MOKE) wird in dieser Arbeit zum ersten Mal zur Charakterisierung paramagnetischer Schichten eingesetzt. Die Schichten bestehen aus Phthalocyanin-Molekülen (H2Pc, VOPc, MnPc, CoPc und CuPc), die sich als Modellsystem zur Untersuchung des Einflusses des Molekülzentrums auf die elektronischen Zustände eignen. Die optischen Konstanten und die Dicken der Schichten werden mittels Ellipsometrie bestimmt. Mithilfe eines optischen Schichtmodells wird aus den Ellipsometrie- und MOKE-Daten die Voigt-Konstante, ein magnetooptischer Materialparameter, berechnet. Der Einfluss des Molekülzentrums auf die energetische Dispersion der Voigt-Konstante ist moderat. Vergleichsweise groß ist der Einfluss der Orientierung der Moleküle auf die Größe der Voigt-Konstante. Daher kann diese als Maß für den Aufstellwinkel des planaren CuPc herausgestellt werden. Darüber hinaus wird am Beispiel von CuPc gezeigt, dass sich die strukturelle Ordnung in molekularen Schichten mittels Reflexions-Anisotropie-Spektroskopie quantifizieren lässt. Die MOKE-Spektroskopie wird zusammmen mit MOKE-Magnetometrie auch zur Untersuchung von Eisen-Platin-Schichten mit Schichtdicken um 5 nm auf thermisch oxidiertem Silizium verwendet. Hier wird der Einfluss von eindiffundiertem Kupfer auf die magnetischen Eigenschaften Remanenz, Koerzitivität und magnetische Anisotropie der Schichten untersucht. Dabei wird neben der in Form einer Unterschicht bereitgestellten Kupfermenge die Temperatur variiert, bei der das Kupfer diffundiert. Die Magnetometrieuntersuchungen ergeben, dass Kupfer die magnetischen Eigenschaften der Eisen-Platin-Schichten verbessert, das Optimum des Kupfergehalts aber deutlich unter 20% liegt. Die optimale Mischtemperatur beträgt 600°C. Durch die Anwendung der MOKE-Spektroskopie wurde im Rahmen dieser Arbeit erstmals die Präsenz einer Feinstruktur der magnetooptischen Übergänge aus den 3d-Zuständen des Eisens entdeckt. Durch Vergleichsmessungen mit Schichten anderer Schichtdicke und auf anderen Substraten kann diese Feinstruktur mit mechanischen Verspannungen an der Grenzfläche zum Substrat in Verbindung gebracht werden.