Dünne Eisen-Platin-Schichten sollen zukünftig in verbesserten magnetischen Speichermedien zum Einsatz kommen. Die Einflüsse einer zusätzlichen Kupferschicht sowie verschiedener RTA-Behandlungstemperaturen auf das FePt-Cu-Schichtsystem wurden mittels Röntgenbeugung und Röntgenreflektometrie untersucht.

In dieser Arbeit wurden Ni-Si-Ga-Schichten mit Hilfe der Transmissionselektronenmikroskopie charakterisiert.

The paper examines the problem of film stress applying a correct three dimensional model. The results are compared with two different forms of Stoney´s equation existing in the Litera-ture and being widely used in the determination of stresses in thin films. It is shown theoretically that only one of the forms is based on an adequate model and yields accurate results whereas the other causes errors of about 30-40 % for typical substrate materi-als. In addition limits for the applicability of the correct Stoney equation are given.

Wasser verhält sich aus physikalischer Sicht beim Kristallisationsprozess im Vergleich zu anderen molekularen Systemen anomal. So ist aus den Erfahrungen des täglichen Lebens bekannt, dass Wasser sich beim Gefrieren ausdehnt, sodass das entstehende Eis aufgrund seiner angenommenen Festkörperstruktur eine geringere Dichte aufweist und auf der festen Phase aufschwimmt. Das wachsende Volumen des Festkörpers sowie die Ausbildung scharfer Eiskristallnadeln führen immer dann zu Komplikationen, wenn der Expansionsprozess durch feste Begrenzungen limitiert ist. Dies ist z. B. in zellulären Strukturen sowie deren Untereinheiten der Fall. Aus diesem Grund sind für die Untersuchung kryogener biologischer Proben sowohl die Gefriertechnik als auch die angewendete Präparationstechnik von essentieller Bedeutung. Diese stellen bereits seit den 1950er Jahren im Bereich der Kryo-Elektronenmikroskopie eine vielgenutzte Methode dar. Um diese Techniken auch für die, nur im Ultrahochvakuum verwendete, Nicht-Kontakt-Rasterkraftmikroskopie nutzbar machen zu können, muss zunächst eine experimentelle Grundlage geschaffen werden, welche die Implementierung verschiedener Präparationstechniken kryogener Proben in ein Ultrahochvakuum-System erlaubt. Die Arbeit beschreibt neben den gebräuchlichsten Gefrier- und Kryo-Präparationstechniken den detaillierten Aufbau einer entsprechenden Anlage. Um deren Funktionalität zu zeigen, wird die Gefrierätztechnik eingesetzt. Primäre, einfache Untersuchungsobjekte hierfür bilden Eisfilme, die auf ein Goldsubsubstrat aufgebracht werden. Für das Freiätzen von unter der Eisschicht befindlichen biologischen Strukturen ist es von zentraler Bedeutung, die Ätzparameter soweit abschätzen zu können, dass die Struktur für das rasterkraftmikroskopische Messverfahren zugänglich ist. Hierzu vermittelt die Arbeit ebenfalls erste Einblicke. Als einfaches biologisches System für grundlegende Experimente dienen auf diesem Gebiet bakterielle Hüllproteine (S-Schichten), deren Proteinmonomere auf Substratoberflächen außerhalb ihrer zellulären Umgebung durch Selbstorganisation gitterartige Strukturen ausbilden.

Germanium-on-Insulator (GeOI) substrates combine the potential of the Silicon-on-Insulator (SOI) technology with the superior properties of Ge over Si in terms of a) charge carrier mobilities (relevant for CMOS), b) optical bandgap and absorption coefficient (of impact for infra-red photodetectors and high-bandwidth optical interconnects), and c) lattice and thermal match with GaAs (of interest for integration of III-V based optoelectronics and photovoltaics on the mainstream Si platform). Several techniques are under study for the achievement of GeOI structures, such as layer transfer, Ge condensation, and Ge epitaxial overgrowth of Si via crystalline oxide templates. Following the GeOI heteroepitaxial approach, Ge was deposited by molecular beam epitaxy (MBE) on PrO2(111) / Si(111) support systems, and the initial growth stages were studied by means of in-situ reflection high energy electron diffraction (RHEED), and x-ray and ultra-violet photoelectron spectroscopy (XPS and UPS, respectively). It was shown that in the first evaporation stages an amorphous GeO2-like layer forms as a result of the Ge adatom interaction with the PrO2 substrate, namely the diffusion of lattice oxygen from the dielectric into the growing semiconductor deposit. In consequence the PrO2(111) buffer oxide is fully reduced to an oxygen-deficient cub (cubic) Pr2O3(111) film structure. Since no oxidizing species are available in the process anymore, the Ge oxide layer converts under continuous Ge evaporation to GeO, which is volatile at the deposition temperature (~550°C). The sublimation of GeO uncovers the cub-Pr2O3(111) surface, which finally provides a thermodynamically stable template for the heteroepitaxial growth of elemental Ge. A Volmer-Weber growth mode is initially observed, which, by properly tuning the deposition parameters, results after island coalescence in the formation of a closed and flat Ge / cub-Pr2O3 / Si heterostructure. Ge epilayer thickness (in the range 20-1000 nm) and morphology were studied ex-situ by means of x-ray reflectivity (XRR) and secondary electron microscopy (SEM). Dynamic secondary ion mass spectroscopy (D-SIMS) was employed to study the chemical compositions of the Ge films, which turned out to be free from Si and Pr impurities at the sensitivity of some parts-per-billion (ppbs), even after supplying a high thermal budget. This is an important achievement, because in most applications (i.e., optoelectronics), there is the demand for ultra-pure Ge epilayers. Then, laboratory- and synchrotron-based x-ray diffraction (XRD) analyses were performed to assess the epitaxial relationship and the defect structure of the Ge epifilms. It was demonstrated that the Ge layers grow single crystalline with (111) orientation and an exclusive type-A stacking configuration on the type-B cub-Pr2O3(111) / Si(111) support system. Furthermore, the Ge epifilms are fully relaxed in the thickness range 20-1000 nm. Finally, XRD techniques combined with transmission electron microscopy (TEM) permitted the identification and the quantification of three main types of defects at work during the growth of the Ge epi-layers, namely rotation twins, stacking faults and microtwins across {11-1} net-planes. These structural flaws were studied as a function of Ge film thickness and after annealing at 825°C for 30 min in ultrahigh vacuum. It turned out that rotation twins constitute less than 1% of the Ge matrix, are located at the Ge(111) / cub-Pr2O3(111) interface and their amount can be lowered by the thermal treatment. Microtwins across {11-1} were detected only in closed Ge films, after Ge island coalescence. The fraction of Ge film volume affected by microtwinning is constant within the thickness range 20–260 nm. Beyond 260 nm, the density of microtwins is clearly reduced, resulting in thick layers with a top part of higher crystalline quality. Microtwins were found to be insensitive to the post-deposition annealing (PDA). Instead, the density of stacking faults across {11-1} planes decreased after the thermal treatment. In conclusion, the defect density was proved to diminish with increasing Ge thickness and after annealing. A defect density of 10^8-10^9 per cm^2 was estimated in case of a ~ 1000 nm-thick Ge film after PDA.

In this thesis the influence of deposition conditions and post-deposition annealing on the structure of ultrathin iron oxide films grown on magnesium oxide (MgO) substrates is studied. The main experimental technique used is synchrotron based x-ray diffraction (XRD) but also x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and low energy electron diffractions (LEED) are used to characterize the samples. Studying the dependency of film structure and thickness the stoichiometry and structure is changing with increasing film thickness. For large film thickness bulk like magnetite (Fe3O4) can be observed. With decreasing thickness the oxide phase is shifting towards a wüstite (FeO) phase. When changing the deposition rate and substrate temperature a strong influence on the Fe3O4 film structure is observed. With both decreasing deposition rates and substrate temperatures the occupancy of the tetrahedral sites is strongly decreasing while the octahedral sites remain almost unaffected. By post-deposition annealing under low oxygen atmosphere it is possible to increase the ordering of the tetrahedral sites. However, this is accompanied by significant diffusion of magnesium into the iron oxide film. During post-deposition annealing of a gamma-Fe2O3 film under high vacuum a reduction of the iron oxide is observed. Increasing the temperature, first, a reduction from gamma-Fe2O3 to Fe3O4 is observed. After further increasing the temperature a reduction from Fe3O4 to FeO is observed.

Im Rahmen der Dissertation wurden mit der Glimmentladungs-Spektrometrie Materialproben untersucht, die Wasserstoff enthalten. Auch sehr geringe Gehalte, z.B. im µg/g-Bereich, können nachgewiesen werden. GD-OES ist oft die einzige Methode, die für diese analytische Aufgabenstellung zur Verfügung steht. Die Anwesenheit von Wasserstoff im Glimmentladungsplasma bewirkt verschiedene Effekte: (i) die Signalintensitäten der meisten analytischen Emissionslinien und der des Trägergases werden beeinflußt, (ii) aus dem Wasserstoffkontinuum resultiert ein erhöhter spektraler Untergrund, (iii) der elektrische Widerstand des Plasmas steigt und (iv) die Abtragsraten sinken. Zum Verständnis dieser Effekte werden grundlegende Untersuchungen zu den Anregungs- und Ionisationsmechanismen im Glimmentladungsplasma durchgeführt. Da es keine geeigneten Materialien gibt, für die der Gehalt an Wasserstoff stabil sind, wurden die Wasserstoffeffekte und die Möglichkeit des Nachweises von Wasserstoff durch Zugabe wohl definierter Mengen gasförmigen Wasserstoffs in das GD-Plasma simuliert. Für die Änderungen (i) de Analyt- und Trägergassignale, (ii) des Entladungsstroms als abhängigen GD-Pa-rameter sowie (iii) des Wasserstofflinien- und Kontinuumspektrums wurde experimentell festgestellt, dass sie sehr ähnlich sind, unabhängig davon, ob der Wasserstoff aus der Probe kommt oder als Gas ins Plasma eingeleitet wird. Die Anwesenheit von Wasserstoff im GD Plasma beeinflußt die Form des Abtragskraters, durch den die Tiefenauflösung bestimmt wird. Dieser Effekt kann gezielt bei nichtleitenden Schichtmaterialien genutzt werden, um die Tiefenauflösung zu verbessern. Weiterhin können Empfindlichkeit und Nachweisgrenze von bestimmten Emissionslinien eines Analyten verbessert werden. Der Was-serstoff im elektrolytischen (Cd- oder Zn-)Schichtsystem kann die Materialeigenschaften ver-schlechtern. Beispielhaft sei die Versprödung genannt. Mit der GD-OES Tiefen-profilanalyse kann die Wirkung thermischer Nachbehandlungen, die in der Technik üblich sind, verfolgt werden. Es konnte an praktischen Beispielen gezeigt werden, dass für erfolgreiche Anwendungen der GD-OES für Dünnschichtanalytik die Reinheit (d.h. minimale H-Effekte) der GD-Quelle von entscheidender Bedeutung ist.

This thesis reports the inspection and manipulation of thin ferroelectric films of lead titanate (PbTiO3 : PTO), lead zirconium titanate (Pb(Zr0.25Ti0.75)O3 : PZT), and barium titanate (BaTiO3 : BTO) by means of scanning force microscopy - specifically Piezoresponse and Kelvin-Probe. The film thickness of the investigated samples ranged between 50nm and 800nm. This experimental work focussed on the following issues: native domain structures, creation of domains by short voltage pulses and area-switching with the force microscope, local qualitative and quantitative measurements of the ferroelectric hysteresis loops, and investigations at the interface between film and platinum-electrode in the PZT/Pt-System. Lamellar domain structures were visualized with high lateral resolution of 5nm on the surface of the PTO-samples, whereas the PZT- and BTO-samples showed prepolarisation and no domains. In the switching experiments a pronounced thickness dependence was found and partly a good agreement to macroscopic measurements. For BTO-films of 50nm and 125nm thickness no stable switching of polarisation could be observed. Using appropriate preparation methods it was possible to provide evidence of a 200nm thick interface layer with reduced polarisation above the electrode in the PZT/Pt-system. / Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung dünner ferroelektrischer Schichten von Bleititanat (PbTiO3 : PTO), Bleizirkoniumtitanat (Pb(Zr0.25Ti0.75)O3 : PZT) und Bariumtitanat (BaTiO3 : BTO) und deren Manipulation auf der sub-µm-Skalamittels Rasterkraftmikroskopie. Die Dicke der Schichten lag im Bereich von 50nm bis 800nm. Zum Einsatz kamen die Meßmodi Piezoresponse und Kelvin-Sonde. Die experimentelle Arbeit erstreckte sich über die Abbildung von Domänenstrukturen, die Erzeugung von Domänen durch kurze Spannungspulse und flächiges Umschalten mit dem Kraftmikroskop, lokale qualitative und quantitative Messungen der ferroelektrischen Hysterese, sowie Untersuchungen an der Grenzschicht zwischen Film und Platin-Elektrode am PZT/Pt-System. Lamellenartige Domänenstrukturen konnten mit hoher lateraler Auflösung von 5nm auf der Oberfläche von PTO abgebildet werden. Die PZT- und BTO-Proben waren vorpolarisiert und es ließen sich keine Domänen nachweisen. Bei den Schaltversuchen wurde eine ausgeprägte Schichtdickenabhängigkeit der Koerzitivfeldstärken und teilweise gute Übereinstimmung mit makroskopischen Messungen gefunden. Für dünne BTO-Schichten von 50nm und 125nm Dicke konnte kein stabiles Umschalten der Polarisation gezeigt werden. Mittels geeigneter Präparation der PZT/Pt-Grenzschicht konnte durch direkte Messung eine Schicht von 200nm Dicke mit verminderter Polarisation oberhalb der Elektrode nachgewiesen werden.

Obwohl Wasserstoff omnipräsent ist, ist seine Analytik anspruchsvoll und es stehen nur wenige analytische Verfahren zur Auswahl. Unter diesen nimmt die auf einer Kernreaktion von Wasserstoff und Stickstoff basierende N-15-Methode einen herausragenden Platz ein. Sie liefert eine ortsaufgelöste Wasserstoffkonzentration bis in den ppm-Bereich in oberflächennahen Schichten (kleiner 2 µm). Gegenstand der Arbeit sind die Darstellung der Theorie der N-15-Kernreaktionsanalyse (NRA), des experimentellen Aufbaus des entsprechenden Strahlrohrs am Ionenbeschleuniger der BAM und der Auswertung der Messergebnisse. Ziel ist die erstmalige Charakterisierung eines Referenzmaterials für die H-Analytik auf Basis von amorphen Silizium (aSi) auf einem Si[100]-Substrat. International wird von den metrologischen Instituten NIST [REE90] und IRMM [VAN87] je ein Referenzmaterial für die Heißextraktion in Form von Titanplättchen angeboten. Diese sind aber für die oberflächennahen Verfahren (NRA, ERDA, GDOES, SIMS) nicht nutzbar, da die oberflächennahe Konzentration von Wasserstoff in Titan nicht konstant ist. Die Homogenität der mittels CVD abgeschiedenen aSi:H-Schichten wurde untersucht. Dazu wurden pro Substrat für ca. 30 Proben die Wasserstofftiefenprofile gemessen, mittels eines innerhalb der Arbeit entstandenen Programms entfaltet und der statischen Auswertung unterzogen. Das Ergebnis waren Mittelwert und Standardabweichung der Wasserstoffkonzentration, sowie ein Schätzer für den Beitrag der Inhomogenität zur Meßunsicherheit. Die Stabilität des potentiellen Referenzmaterials wurde durch die Konstanz der Ergebnisse von Wiederholtungsmessungen der Wasserstoffkonzentrtion während der Applikation einer hohen Dosis von N-15 Ionen bewiesen. In einem internationalen Ringversuch wurde die Rückführbarkeit der Messergebnisse nachgewiesen. Teilnehmer waren 13 Labore aus 7 Ländern. Eingesetzt wurden N-15 und F-19 NRA, ERDA und SIMS. Besonderer Beachtung wurde der Bestimmung der Messunsicherheiten gewidmet. Für die Charakterisierung der aSi:H-Schichten wurden neben der NRA die Weißlichtinterferometrie, Ellipsometrie, Profilometrie und Röngenreflektometrie, sowie die IR- und Ramanspektroskopie genutzt. Die Stöchiometrie des eingesetzten Standardmaterials Kapton wurde mittels NMR-Spekroskopie und CHN-Analyse überprüft. [VAN87] Vandendriessche, S., Marchandise, H., Vandecasteele, C., The certification of hydrogen in titanium CRM No318, Brüssel-Luxembourg,1987 [REE90] Reed, W.P., Certificate of Analysis SRM 352c, Gaithersburg, NIST, 1990

Thin amorphous films of binary aluminum-chromium alloys have been produced by flash evaporation and characterized by means of electron diffraction and measurements of transport properties. Beside the known effect of hybridization on the phase stability an additional structure forming mechanism could be identified in the aluminum-chromium alloys and other amorphous binary aluminum-transition-metal alloys as well. A systematical influence of the transition-metal-d-electrons on the plasma resonance energies was found. / Es wurden amorphe Schichten von binären Aluminium-Chrom-Legierungen mit Hilfe abschreckender Kondensation aus der Gasphase hergestellt und einer elektronischen und strukturellen Charakterisierung unterzogen. Neben dem bereits bekannten Einfluss von Hybridisierungsmechanismen auf die Strukturbildung und Stabilität der amorphen Aluminium-Übergangsmetall-Legierungen, konnte ein weiterer Ordnungsmechanismus bei hohen Chrom-Anteilen gefunden werden. Im Vergleich mit anderen, bereits früher untersuchten, binären amorphen Aluminium-Übergangsmetall-Lergierungen, konnte gezeigt werden, dass dieses Verhalten auch dort auftritt. Desweiteren konnte eine Systematik im Einfluss der Übergangsmetall-d-Elektronen auf die Plasmaresonanz der Aluminium-Übergangsmetall-Legierungen gefunden werden.