<p>This thesis report is focused on the growth of Pt/Mg multilayers and the studies of the sputter yield amplification effect in these. The main application is to use the multilayers as X-ray mirrors reflecting an X-ray wavelength of 17 Å. This wavelength is important for astronomical applications in general, and solar imaging applications in particular.</p><p>For periodic X-ray multilayer mirrors only a certain specific wavelength of X-rays can be reflected. What wavelength that is reflected depends on the individual layer thicknesses of the materials that are constituting the multilayer. These thicknesses can be determined using modified Bragg’s law and are approximately a quarter of the wavelength.</p><p>In order to obtain the exact desired layer thickness of each individual layer it is necessary to understand the growth processes and the effects that are going on during deposition of such multilayer mirrors. It has been shown that when depositing multilayers consisting of one very light and one very heavy material, like e.g. Pt and Mg, the deposition rate of the light element is non-linear with deposition time for thin layers. This is because of backscattered energetic neutrals from the heavy target material, which affects the growing film. Furthermore, a sputter yield amplification is present for thin layers when a light element is grown on top of a heavy element, i.e. for Mg on top of Pt.</p><p>Dual DC magnetron sputtering has been used to grow the Pt/Mg multilayers, and the influence of the backscattered energetic neutrals and the sputter yield amplification effect has been studied for Ar and Kr sputtering gases at pressures ranging from 3 up to 9 mTorr. The individual layer thicknesses have been obtained from simulations of hard X-ray reflectivity measurements using the IMD program. The number of backscattered energetic neutrals and their energies at the target have been calculated using the TRIM code.</p><p>Using the results obtained it is now possible to predict and compensate for the non-linear deposition rate of Mg.</p>

<p>This thesis reports on the development of low-temperature processes for transition metal carbide and MAX-phase thin film growth. Magnetron sputtering and evaporation, far from thermodynamical equilibrium, have been utilised to engineer the properties of the films by physical and chemical control. Deposition of W, W₂C and β-WC_1-x films with controlled microstructure, from nanocrystalline to epitaxial, is shown in the W-C system down to 100 ^oC. W films with upto 20 at% C exhibited an extreme solid-solution hardening effect, with a nanoindentation hardness maximum of 35 GPa. Furthermore, the design of epitaxial ternary carbide films is demonstrated in the Ti_1-xV_xC_y system in the form of controlled unit-cell parameters, strain-free films with a perfect match to the substrate, and ternary epitaxial gradient films. Moreover, phase stabilisation and pseudomorphic growth can be tuned in (Nb,Mo)C and (Ti,W)C films. The results obtained can be used for example to optimise electrical contacts in SiC high-power semiconductor devices. </p><p>A large part of this thesis focuses on the deposition of MAX-phases. These compounds constitute a family of thermally stable nanolaminates with composition M_n+1AX_n, n=1, 2 or 3, where M is an early transition metal, A is generally a group 13-14 element, and X is C or N. They show a combination of typical ceramic and metallic properties and are also machinable by virtue of the unique deformation behaviour observed only in laminates. So far, the MAX-phases have almost exclusively been prepared by high-temperature sintering and studied in bulk form. However, this thesis establishes a patented seed layer approach for successful MAX-phase thin film depositions down to 750 ^oC. For the first time, single-phase and epitaxial films of Ti₃SiC₂, Ti₃AlC₂ and Ti₂AlC have been grown. The method has also been used to synthesise a new MAX-phase, Ti₄SiC₃. In addition, two previously unreported intergrown MAX-type structures are presented, Ti₅Si₂C₃ and Ti₇Si₂C₅. Combined theoretical and experimental results show the possibility to deposit films with very low bulk resistivity and designed mechanical properties. Furthermore, the demonstration of MAX-phase and carbide multilayer films paves the way for macrostructure engineering, for example, in coatings for low-friction or wear applications.</p>

This thesis report is focused on the growth of Pt/Mg multilayers and the studies of the sputter yield amplification effect in these. The main application is to use the multilayers as X-ray mirrors reflecting an X-ray wavelength of 17 Å. This wavelength is important for astronomical applications in general, and solar imaging applications in particular. For periodic X-ray multilayer mirrors only a certain specific wavelength of X-rays can be reflected. What wavelength that is reflected depends on the individual layer thicknesses of the materials that are constituting the multilayer. These thicknesses can be determined using modified Bragg’s law and are approximately a quarter of the wavelength. In order to obtain the exact desired layer thickness of each individual layer it is necessary to understand the growth processes and the effects that are going on during deposition of such multilayer mirrors. It has been shown that when depositing multilayers consisting of one very light and one very heavy material, like e.g. Pt and Mg, the deposition rate of the light element is non-linear with deposition time for thin layers. This is because of backscattered energetic neutrals from the heavy target material, which affects the growing film. Furthermore, a sputter yield amplification is present for thin layers when a light element is grown on top of a heavy element, i.e. for Mg on top of Pt. Dual DC magnetron sputtering has been used to grow the Pt/Mg multilayers, and the influence of the backscattered energetic neutrals and the sputter yield amplification effect has been studied for Ar and Kr sputtering gases at pressures ranging from 3 up to 9 mTorr. The individual layer thicknesses have been obtained from simulations of hard X-ray reflectivity measurements using the IMD program. The number of backscattered energetic neutrals and their energies at the target have been calculated using the TRIM code. Using the results obtained it is now possible to predict and compensate for the non-linear deposition rate of Mg.

Les multicouches périodiques ont trouvé de nombreuses applications dans les domaines de l’optique, de la mécanique ou encore de l’électronique. Néanmoins, peu d’études se concentrent sur les réponses électriques des structures métal/oxyde périodiques vis-à-vis de la température. L’intérêt de ces travaux s’est porté sur la caractérisation des systèmes produits et l’étude de leurs propriétés électriques en température. Dans les systèmes TiO/Ti/TiO/TiO2 et WO/W/WO/WO3 respectivement à base de titane et de tungstène élaborés par le procédé de gaz réactif pulsé, des modèles de structures sont établis grâce à la microscopie électronique en transmission pour des épaisseurs de sous-couches comprises entre 1,3 et 50,8 nm. Puis, cette étude met en lumière une modification des comportements électriques classiques des matériaux en température, ainsi que l’existence d’une relation empirique entre la variation de résistivité électrique et les structures multicouches périodiques métal/oxyde. Cette relation montre que la résistivité de ces structures multicouches métal/oxyde peut donc être prévue grâce à la corrélation entre les conditions opératoires et les structure produites. Une fois les limites de cette relation établies, ce manuscrit propose une ouverture vers une nouvelle nanostructuration périodique. Elle combine la technique de dépôt sous incidence oblique et la technique de gaz réactif pulsé afin de produire les premiers films composés de colonnes inclinées et d’alternances périodiques métal/oxyde. / Periodic multilayers have found many applications in the fields of optics, mechanics or electronics. However, few studies focus on the electrical responses of the metal/oxide periodic structures versus temperature. The interest of this work was focused on the characterization of the multilayers and their electrical properties versus temperature. In TiO/Ti/TiO/TiO2 and WO/W/WO/WO3 systems produced by the reactive gas pulsing process, sample structures were established by transmission electron microscopy for sublayers thicknesses between 1.3 and 50.8 nm. Then, this study highlights a modification of conventional electrical behavior versus temperature. An empirical relationship was established between the electrical resistivity variation and the metal/oxide periodic multilayer structures. The correlation between the operating conditions and the produced structure allows predicting the resistivity of these metal/oxide multilayer structures. Finally, this manuscript paves the way to a new periodic nanostructuration with the combined use of glancing angle deposition and gas reactive pulsing process to produce the first films composed by inclined columns and periodic metal/oxide alternations.

Dünne Schichten aus hydrogenisiertem amorphem Silizium a-Si:H spielen für die Photovoltaik eine wichtige Rolle. Einerseits kommt für die Dünnschicht-Photovoltaik unterschiedlich dotiertes a-Si:H in den Schichten einer p-i-n-Solarzelle zur Anwendung, andererseits stellen Heterokontakt-Solarzellen aus amorphem und kristallinem Silizium (a-Si:H/c-Si) wegen ihres hohen Wirkungsgrades derzeit ein sehr aktuelles Forschungsthema dar. Die Abscheidung der a-Si:H-Schichten im Rahmen dieser Arbeit erfolgt mit der Methode des Magnetronsputterns (Kathodenzerstäubung). Dieses für die in-line-Beschichtung etablierte Verfahren wird speziell für die Photovoltaik noch nicht in industriellem Maßstab eingesetzt (lediglich für transparente leitfähige Oxide TCO). Insbesondere existiert nur eine geringe Zahl von Veröffentlichungen zu Heterokontakten, welche mittels Magnetronsputtern hergestellt wurden. Ein Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit ist daher die Herstellung sowie Charakterisierung solcher Heterokontakte unter dem Aspekt variierter Abscheide- und Prozessparameter (Substrattemperatur, Wasserstoffflussrate, Ionenbeschuss). Das für das Sputtern erforderliche Plasma wird mit einer im Mittelfrequenzbereich gepulsten Gleichspannung angeregt. Ein dadurch mehr oder weniger ausgeprägter Ionenbeschuss der wachsenden Schichten in Abhängigkeit der Pulsparameter wird hier analysiert. Die Charakterisierung der Heterokontakte erfolgt hauptsächlich anhand deren Strom-Spannung-Kennlinien, welche auch bei variierter Temperatur gemessen werden. Erzielte Gleichrichtungsverhältnisse um 10000:1 sowie Diodenidealitätsfaktoren η ≈ 1,3 kennzeichnen (p)a-Si:H/(n)c-Si-Heterokontakte mit den besten halbleiterphysikalischen Eigenschaften. Bei zu schwacher Schichthydrogenisierung wurde ein Ladungstransportmechanismus nachgewiesen, welcher in der Literatur als multi-tunneling capture-emission MTCE bekannt ist. Eine erhöhte Hydrogenisierung unterdrückt diesen Mechanismus nahezu vollständig. Durch Abscheidung unterschiedlich stark bordotierter a-Si:H-Schichten wird außerdem die Dotiereffizienz beurteilt. Hohe Werte sind bei amorphen Halbleitern im Allgemeinen schwer zu erreichen. Die mit stärkerer Dotierung erhöhte Gleichrichterwirkung lieferte hier ein Indiz für eine nachweisbare Dotiereffizienz.

Dünne Schichten aus hydrogenisiertem amorphem Silizium a-Si:H spielen für die Photovoltaik eine wichtige Rolle. Einerseits kommt für die Dünnschicht-Photovoltaik unterschiedlich dotiertes a-Si:H in den Schichten einer p-i-n-Solarzelle zur Anwendung, andererseits stellen Heterokontakt-Solarzellen aus amorphem und kristallinem Silizium (a-Si:H/c-Si) wegen ihres hohen Wirkungsgrades derzeit ein sehr aktuelles Forschungsthema dar. Die Abscheidung der a-Si:H-Schichten im Rahmen dieser Arbeit erfolgt mit der Methode des Magnetronsputterns (Kathodenzerstäubung). Dieses für die in-line-Beschichtung etablierte Verfahren wird speziell für die Photovoltaik noch nicht in industriellem Maßstab eingesetzt (lediglich für transparente leitfähige Oxide TCO). Insbesondere existiert nur eine geringe Zahl von Veröffentlichungen zu Heterokontakten, welche mittels Magnetronsputtern hergestellt wurden. Ein Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit ist daher die Herstellung sowie Charakterisierung solcher Heterokontakte unter dem Aspekt variierter Abscheide- und Prozessparameter (Substrattemperatur, Wasserstoffflussrate, Ionenbeschuss). Das für das Sputtern erforderliche Plasma wird mit einer im Mittelfrequenzbereich gepulsten Gleichspannung angeregt. Ein dadurch mehr oder weniger ausgeprägter Ionenbeschuss der wachsenden Schichten in Abhängigkeit der Pulsparameter wird hier analysiert. Die Charakterisierung der Heterokontakte erfolgt hauptsächlich anhand deren Strom-Spannung-Kennlinien, welche auch bei variierter Temperatur gemessen werden. Erzielte Gleichrichtungsverhältnisse um 10000:1 sowie Diodenidealitätsfaktoren η ≈ 1,3 kennzeichnen (p)a-Si:H/(n)c-Si-Heterokontakte mit den besten halbleiterphysikalischen Eigenschaften. Bei zu schwacher Schichthydrogenisierung wurde ein Ladungstransportmechanismus nachgewiesen, welcher in der Literatur als multi-tunneling capture-emission MTCE bekannt ist. Eine erhöhte Hydrogenisierung unterdrückt diesen Mechanismus nahezu vollständig. Durch Abscheidung unterschiedlich stark bordotierter a-Si:H-Schichten wird außerdem die Dotiereffizienz beurteilt. Hohe Werte sind bei amorphen Halbleitern im Allgemeinen schwer zu erreichen. Die mit stärkerer Dotierung erhöhte Gleichrichterwirkung lieferte hier ein Indiz für eine nachweisbare Dotiereffizienz.