Zugl.: Hannover, Universiẗat, Diss., 2007.

Die optische in situ-Charakterisierung des Aufwachsens organischer Molekülschichten auf isolierenden und metallischen Substraten (Kaliumchlorid, -bromid und Glimmer, beziehungsweise Gold) ist Gegenstand dieser Arbeit. Am Beispiel der Substanzen Perylen-3,4,9,10- tetrakarbonsäuredianhydrid (PTCDA) und Titanylphthalozyanin (TiOPc), die mittels Molekularstrahlepitaxie abgeschieden werden, wird der Einfluss der Anordnung der Moleküle und der gegebenenfalls hinzugefügten Dotierung auf die messbaren Eigenschaften untersucht. Wie wichtig dabei die Feinabstimmung zwischen den Gitterkonstanten des Substrats und der Ausdehnung der Moleküle ist, äußert sich in schmalen Absorptions- und Emissionsbanden im Falle kommensurablenWachstums von PTCDA auf Kaliumchlorid. Diese Anordnung und ihre Metastabilität werden mit begleitenden Rasterkraftmikroskopie-Untersuchungen und Kraftfeldrechnungen nachgewiesen. Ausgehend von Monolagen neutraler Moleküle kann durch die schrittweise Dotierung mit Kalium die spektrale Entwicklung der Absorption von PTCDA-Anionen verfolgt und einzelnen Ladungsstufen – von Mono- bis Tetraanionen – zugeordnet werden. Durch vorherige Bestrahlung mit Elektronen konnte Glimmer so modifiziert werden, dass auch die spektrale Signatur von PTCDA-Monokationen aufgeklärt werden konnte. In Bestätigung früherer Rastertunnelmikoskopie-Ergebnisse zur Ausbildung von TiOPc- Kristallphasen erfolgt das Wachstum von Phase II auf einer Benetzungsschicht, die Phase I-Anordnung aufweist. Die Schichtdickenabhängigkeit der optischen Eigenschaften wird mit einer Genauigkeit im (Sub-)Monolagenbereich bestimmt und der Verlauf von Oszillatorstärke und Emissionslöschung durch die Orientierung der TiOPc-Moleküle zueinander beziehungsweise ihren Abstand zum Substrat erklärt. / The aim of this work is the in situ monitoring of the growth of molecular thin films on either insulating (potassium chloride, -bromide and mica) or gold substrates by optical spectroscopy. The influence of the molecular arrangement and an optionally added doping on the properties is studied on perylene-3,4,9,10-tetracarboxylic-dianhydride (PTCDA) and titanyl phthalocyanine (TiOPc), deposited by molecular beam epitaxy. The impact of perfect matching between the substrate’s lattice constants and the dimensions of the molecules, appears in narrow absorption and emission bands in case of commensurate growth of PTCDA on potassium chloride. This arrangement and its metastability are proven by accompanying atomic force microscopy and advanced potential energy calculations. Once potassium can be added stepwise to monolayers of neutral PTCDA molecules, the spectral development towards PTCDA anions can be followed and assigned to the reached levels of charging. The crystal growth of TiOPc molecules in phase II takes place on a wetting layer with phase I arrangement, proving earlier results by scanning tunneling microscopy. Measuring the thickness-dependent optical properties with (sub-)monolayer resolution allows a deeper understanding of the dependences of both, the oscillator strength and the efficiency of luminescence quenching, on the molecules’ orientations with respect to each other and on their distance to the substrate.

Im Hochvakuum durch thermisches Verdampfen erzeugte polykristalline Schichten aus den organischen Molekülen: Kupferphthalocyanin (CuPc), N,N'-Dimethyl-Perylendicarboximid (MPP) und Fulleren (C60), werden mittels Transmissions- und Reflexionsspektroskopie auf ihre optischen Eigenschaften hin untersucht und die optischen Konstanten bestimmt. Durch die Abscheidung auf Spaltstrukturen und in Mehrschichtform kann das elektrische Gleichstromverhalten dieser Substanzen in Abhängigkeit von Beleuchtung und Probentemperatur analysiert werden. Die durch die Einbettung von Metallclustern (Gold, Kupfer, Silber) hervorgerufenen Veränderungen besonders im optischen, aber auch im elektrischen Verhalten, werden durch den Vergleich der Meßergebnisse mit ungestörten Proben erhalten. Die Untersuchung der Morphologie mittels TEM-Aufnahmen zeigt, daß die Clusterabmessungen und -formen in Abhängigkeit von der gewählten Materialkombination stark variieren können. Ramanmessungen an Mischsystemen zeigen, neben der für Silber erwarteten Erhöhung des molekularen Signals, auch Kupfer- und Goldeinlagerungen SERS-Effekte. Beim Einbau von Metallclustern in organische Einschichtsolarzellen konnte deren Wirkungsgrad bei Beleuchtung mit einem Sonnensimulator (AM2) bis zu einem Faktor ca. 3 erhöht werden.

In der vorliegenden Arbeit werden die waehrend der reaktiven Vakuumbogenverdampfung ablaufenden Prozesse untersucht und eine modellmaessige Beschreibung des Gesamtprozesses entwickelt. Das Verfahren wird zur Herstellung von duennen Schichten zahlreicher chemischer Verbindungen, insbesondere von Hartstoffschichten auf der Basis der Karbide und Nitride der Uebergangsmetalle, genutzt. Entsprechend wurden in dieser Arbeit als Katodenmaterial Titan, Chrom und Zirkonium eingesetzt, als Reaktivgase Stickstoff und Methan. Zunaechst werden einige Grundlagen der Vakuumbogenverdampfung dargestellt, die fuer die Bearbeitung des Themas wesentlich sind. Anschliessend wird der Aufbau der fuer die Experimente genutzten Beschichtungsapparatur beschrieben. Im Hauptteil der Arbeit wird zuerst auf experimentellem Wege die Materialbilanz der Entladung bei Variation des Reaktivgasdruckes analysiert. Die Generation an Metalldampfplasma wird ueber die Katodenerosionsrate bestimmt, wobei sich beim Betrieb mit Stickstoff als Reaktivgas signifikante Unterschiede in der Druckabhaengigkeit der Katodenerosionsrate µ zwischen Titan bzw. Zirkonium einerseits und Chrom andererseits zeigen. Die Hypothese, dass hier die Ausbildung einer Verbindungsschicht an der Katodenoberflaeche den Erosionsprozess beeinflusst, wurde sowohl durch RBS-Messungen als auch durch Vergleichsexperimente mit einer massiven TiN-Katode bestaetigt. Weitere Auswirkungen derartiger Oberflaechenbedeckungen auf die Dynamik des Katodenbrennfleckes wurden durch Videountersuchungen am Beispiel Ti+N_2 nachgewiesen. Die Konsumtion des Reaktivgases waehrend der Entladung wird anhand der Gasfluss-Druck-Charakteristiken untersucht und das je nach Katodenmaterial unterschiedliche Gettervermoegen diskutiert. Direkte Informationen ueber den Stickstoffeinbau in die Schichten in Abhaengigkeit vom Reaktivgasdruck werden aus RBS-Untersuchungen an entsprechenden Probenserien gewonnen. Analoge Untersuchungen mit Methan als Reaktivgas fuehrten zu prinzipiell aehnlichen Resultaten. Mit den gewonnenen experimentellen Daten als Grundlage wurde ein Modell entwickelt, das die Materialbilanz der Vakuumbogenverdampfung mathematisch beschreibt. Hier wurden, ausgehend von einem fuer das reaktive Magnetronsputtern aufgestellten Modell, die Besonderheiten der stark lokalisierten Metalldampfgeneration bei der Vakuumbogenverdampfung beruecksichtigt. Die erreichte Uebereinstimmung der Modellkurven mit den experimentellen Daten zeigt, dass mit der Modellierung wesentliche Mechanismen bei der reaktiven Vakuumbogenverdampfung richtig erfasst wurden. Aus den Ergebnissen folgt, dass die Erzeugung von reaktionsfaehigen Stickstoffspezies an die Katodenerosion gekoppelt ist: erstens ueber die Erosion nitridbedeckter Oberflaechenbereiche und zweitens ueber die Wechselwirkung des Metalldampfplasmas mit dem Reaktivgas. Diese Wechselwirkungsprozesse werden durch Untersuchungen mit elektrischen Sondenmessungen sowie mittels optischer Emissionsspektroskopie (OES) naeher charakterisiert. Als wesentliches Ergebnis zeigt sich dabei, dass trotz der Unterschiede hinsichtlich des Verhaltens an der Katode bei Ti- bzw. Cr-Entladungen in Stickstoff Anregungs- und Ionisationsgrad des Reaktivgases praktisch gleich sind. Im Zusammenhang damit wird die Rolle von Ladungstransfer- und Anregungsprozessen infolge von Stoessen schneller Ionen mit Molekuelen und Neutralatomen diskutiert.

In dieser Arbeit wurden Nanopartikel mit einer Laserpinzette gespeichert und untersucht. Ein Schwerpunkt war speziell die Untersuchung der bei der Speicherung beteiligten Kräfte. Diese Abhängigkeiten wurden bei variablen Drücken im Bereich von einigen mbar betrachtet. Als Testpartikel dienten µm große Agglomerate aus Nanodiamanten. Aus den gemachten Beobachtungen wurden Erkenntnisse über das Verhalten und die Wechselwirkung von Streukraft, Gradientenkraft und photophoretischer Kraft gewonnen. Ein zweiter Schwerpunkt war die Charakterisierung der Partikel. Mit einem einfachen optischen Aufbau konnten Fluoreszenzspektren von Nanodiamanten mit N-V-Zentren aufgenommen werden. Zusätzlich wurden einige der Partikel mit dem Laserfarbstoff Rhodamin 6G benetzt und spektroskopiert.

In der Mikrosystemtechnik werden Bauelemente mit mikroskopischen Abmessungen hergestellt. Für Mikrospiegel werden Reflexionsbeschichtungen entwickelt, die den speziellen Anforderungen dieser Substrate genügen. Die Reflexionsschichten werden durch DC- und HF- Magnetronsputtern unter Verwendung der Materialien Aluminium, Silber, Titan, Aluminium-(Silizium1%)-oxid, Aluminium-(Silizium1%)-nitrid und Titanoxid hergestellt. Die Abscheideprozesse der einzelnen Schichten werden detailliert vorgestellt. Die dünnen Schichten werden charakterisiert, wobei der Schwerpunkt auf den Schichtspannungen und auf den optischen Eigenschaften liegt. Als Reflexionsbeschichtungen werden folgende drei Lösungen hergestellt, charakterisiert und miteinander verglichen: 1. Einfache Aluminiumschichten; 2. Aluminium mit einer Vergütung aus Aluminium-(Silizium1%)-oxid und Titanoxid; 3. Silber auf Titan-Haftschicht mit einer Vergütung aus Aluminium-(Silizium1%)-nitrid und Titanoxid. Der Aufbau des Silberschichtsystems stellt eine Eigenentwicklung dar, die auch auf andere Anwendungen übertragbar ist. Die Stabilität der Beschichtungen sowie die Anwendbarkeit auf Mikrospiegeln werden nachgewiesen.

System zur berührungslosen Drahtvorschubgeschwindigkeitsmessung mittels CCD-Kameramodul. Die Auswertung der Daten wird mittels Wavelet-Algorithmen durchgeführt.

Tantalum and tantalum nitride thin films are routinely applied as diffusion barriers in state-of-the-art metallization systems of microelectronic devices. In this work, such films were prepared by reactive magnetron sputtering on silicon and oxidized silicon substrates and studied by spectroscopic ellipsometry in the spectral range from 190 nm to 2.55 μm. The complex refractive index for thick films (75 to 380 nm) was modeled using a Lorentz-Drude approach. These models were applied to film stacks of 20 nm TaN / 20 nm Ta on unoxidized and thermally oxidized Si. With free oscillator parameters, accurate values of the film thicknesses were obtained according to cross-sectional scanning electron microscope (SEM) measurements. At the same time, a strong variation of the optical properties with film thickness and substrate was observed.

In this work the molecular growth mode of several organic molecules was studied using a combination of variable angle spectroscopic ellipsometry (VASE) and Infrared spectroscopy (IR) as investigations tools. As organic systems several Phthalocyanine molecules, 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic dianhydride (PTCDA), tris-(8-hydroxyquinoline)-aluminum(III) (Alq3) / N,N’-Di-[(1-naphthyl)-N,N’-diphenyl]-(1,1’-biphenyl)-4,4’-diamine (a-NPD) were investigated. The ordered growth of the Pcs and PTCDA and their intrinsic optical anisotropy of their planar molecular structure give rise to highly anisotropic layers. In contrast with the planar molecules, Alq3 and a-NPD form homogenous isotropic films with a very low surface roughness. As a non-destructive and very surface sensitive technique, ellipsometry allows the thickness, the surface roughness and optical constants to be accurately determined. From the strong in-plane /out-of-plane anisotropy of the dielectric function the average molecular orientation angle of the Pc’s molecules was determined. The knowledge of the molecular orientation combined with the information accessible from the shape of the Q-band of the Pc can provide an insightful picture of the molecular growth. While the Pc layers grown on HV condition grow with the b-axis (stacking axis) perpendicular to the substrate and F16PcVO lies on the KBr substrates, the Pc samples prepared in UHV adopt a parallel to the substrate b-axis configuration. These results were confirmed by reflection IR measurements performed in s and p polarization. The ellipsometric studies on heterostructures proved that PTCDA has a template effect on the Pc growth and the interaction between this two molecules affects the optical response at the interfaces. In contrast with this system where rough interfaces were assumed in the model, the combination Alq3 / a-NPD gives sharp optical interfaces. The in-situ measurements performed at BESSY proved that sub-monolayer sensitivity can be achieved in the VUV range using spectroscopic ellipsometry and moreover the dielectric function of these ultra-thin films can be determined. A spectral shift towards higher energies of the Alq3 and a-NPD features was observed for sub-monolayers on silicon substrate when compared with the bulk reference. The smaller shift observed for the Alq3 sub-monolayers on ZnO substrate indicate that the effect of the silicon substrate has to be taken into account when explaining the spectral behaviour of the sub-monolayers. / In dieser Arbeit wurde das Wachstum von organischen Molekülschichten mit Hilfe einer Kombination aus spektroskopischer Ellipsometrie mit variablem Einfallswinkel "Variable Angle Spectroscopic Ellipsometry (VASE)" und Infrarotspektroskopie (IR) untersucht. Als organische Systeme wurden verschiedene Phthalocyaninmoleküle (Pc), 3,4,9,10-Perylentetracarbonsäure Dianhydrid (PTCDA) und tris-(8-hydroxochinolin)-Aluminium(III) (Alq3) / N,N’-Di-[(1-naphthyl)-N,N’-diphenyl]-(1,1’-biphenyl)-4,4’-diamin (α-NPD) betrachtet. Das geordnete Wachstum der Pcs und von PTCDA führt, bedingt durch die intrinsische optische Anisotropie der planaren organischen Moleküle, zu hochgradig anisotropen Schichten. Im Gegensatz zu den planaren Molekülen bilden Alq3 und α-NPD homogene isotrope Filme mit einer sehr geringen Oberflächenrauigkeit aus. Als eine nicht destruktive und sehr oberflächensensitive Technik, erlaubt es die Ellipsometrie, die Dicke, die Oberflächenrauigkeit und die optischen Konstanten genau zu bestimmen. Aus der starken in-plane / out-of-plane Anisotropie der dielektrischen Funktion wurde der mittlere molekulare Orientierungswinkel der Pc-Moleküle bestimmt. Die Kenntnis der molekularen Orientierung, verknüpft mit der in der Form des Q-Bandes der Pc-Moleküle enthaltenen Information, gewährt Einblick in das molekulare Wachstumsverhalten. Während die Pc-Schichten unter Hochvakuumbedingungen mit der b-Achse (Stapelachse) senkrecht zum Substrat wachsen und F16PcVO sich flach auf die KBr-Substrate legt, nehmen die unter Ultrahochvakuumbedingungen hergestellten Pc-Proben eine parallel zum Substrat liegende b-Achsenanordnung ein. Diese Ergebnisse wurden mit IR-Messungen bestätigt, welche in s- und p-Polarisation durchgeführt wurden. Die ellipsometrischen Untersuchungen an Heterostrukturen haben bewiesen, dass PTCDA einen Template-Effekt auf das Wachstum der aufwachsenden Pc-Schicht hat und dass die Wechselwirkung zwischen diesen beiden Molekülen die Reaktion an der Grenzflächenschicht beeinflusst. Im Gegensatz zu diesem System, bei dem raue Grenzflächen im Modell verwendet wurden, ergibt die Kombination Alq3 / α-NPD scharfe Grenzflächen. Die in-situ-Messungen, welche bei BESSY durchgeführt wurden, bewiesen, dass Submonolagensensitivität im Vakuum-ultravioletten Spektralbereich mit Hilfe der spektroskopischen Ellipsometrie erreicht und zudem die dielektrische Funktion bestimmt werden kann. Verglichen mit dicken Schichten als Referenz, wurde auf Siliziumsubstraten für Submonolagen eine spektrale Verschiebung der Alq3- and α-NPD-Absorptionsbanden zu höheren Energien beobachtet. Die kleinere Verschiebung, die für Alq3-Submonolagen auf ZnO-Substraten beobachtet wurde, deutet an, dass der Einfluss des Siliziumsubstrates in Betracht gezogen werden muss, wenn man das spektrale Verhalten der Submonolagen erklären will.

Im Bericht werden die Ergebnisse des DFG-Forschungsprojektes unter den DFG-Geschäftszeichen MA1391/17-3 und NE615/1-1 ergänzend zum Abschlussbericht des Projektes ausführlich dargestellt. Inhalt der Forschung war die Weiterentwicklung eines optischen Messverfahrens zur Bestimmung der Drahtvorschubgeschwindigkeit beim MSG-Schweißen mit Integration eines PI-Reglers zur Steuerung der Drahtvorschubeinrichtung. Die in dem Vorgängerprojekt (DFG-Gz. MA1391/17-1) entwickelten schnellen Wavelet-Algorithmen, die eine Auswertung der Videoaufzeichnung in Echtzeit erlauben, wurden weiterentwickelt. Es erfolgte eine große Zahl von Versuchen mit Drähten aus vier Werkstoffgruppen (Aluminium, Kupfer, Stahl und Nickel), unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Formen der Störung des Drahtlaufes. Simuliert wurden weiterhin unterschiedlichen Formen der Verschmutzungen des Videosignals. Die Einsatzfähigkeit und Robustheit des Mess- und Regelalgorithmus unter diesen industrienahen Bedingungen konnte nachgewiesen werden. / In this report the results of the DFG project MA1391/17-3 and NE615/1-1 are summarized and explained in details. The research topic is the further development of an optical method of measuring the speed of welding wire feed for MIG welding. A common PI-Controller was used for regulating the wire feed speed. The fast wavelet algorithms developed in the preceding DFG-Project MA1391/17-1, which allow the analysis of the video camera signal in the real time, have been perfected. The report includes the description and summary of a lot of practical tests with different wire materials (aluminium, steel, cupper and nickel), different feed speeds and different kinds of free wire run perturbations. Several filters simulating the lens pollutions have been tested. The applicability and robustness of measuring and controlling under near to industry conditions have been proved.