Die vorliegende Dissertation befasst sich mit dem Wachstum und der Charakterisierung von Silizium- und Germanium-Nanodrähten. Diese Strukturen gelten als aussichtsreiche Komponenten für zukünftige Bauelemente. Für die Anwendung ist die genaue Kenntnis der Größe, der kristallographischen Orientierung und der Position der Nanodrähte erforderlich. Ziel dieser Arbeit war daher die Untersuchung von Si- und Ge-Nanodrähten im Hinblick auf ihre Größe, Orientierung und Position. Die Herstellung erfolgte durch Physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) im Ultrahochvakuum nach dem Vapor-Liquid-Solid (VLS)-Verfahren, das auf dem Wachstum aus Lösungsmitteltröpfchen basiert. Die Größe der Nanodrähte konnte im Falle von Silizium auf Si(111) mit Gold als Lösungsmittel durch die Parameter des Experiments reproduzierbar bestimmt werden. Höhere Goldbedeckung und höhere Substrattemperaturen führten zu Tröpfchen mit größerem Duchmesser und somit zu dickeren Drähten. Längere Si-Verdampfungszeiten und höhere Si-Verdampfungsraten führten zu längeren Drähten. Dünnere Drähte wuchsen schneller als dickere. Als zweites Lösungsmittel wurde Indium untersucht, da es sich im Vergleich zu Gold nicht nachteilig auf die elektronischen Eigenschaften von Silizium auswirkt. Basierend auf den Ergebnissen zur Tröpfchenbildung konnten die besseren Wachstumsresultate mit Gold erklärt werden. Germanium-Nanodrähte, die aus Goldtröpfchen auf Ge(111) gezüchtet wurden, zeigten im Gegensatz zu den Si-Nanodrähten nicht die kristallographische [111]-Orientierung des Substrates, sondern eine -Orientierung, was durch Berechnungen von Keimbildungsenergien auf verschiedenen Kristallflächen erklärt werden konnte. Zur Anordnung von Metalltröpfchen und damit von Nanodrähten wurden Substrate mithilfe von fokussierten Ionenstrahlen (FIB) vorstrukturiert, um die Tröpfchenbildung an bestimmten Stellen zu begünstigen. Es gelang, aus angeordneten Goldtröpfchen epitaktisch gewachsene Si- und Ge-Nanodrähte zu züchten. / This dissertation deals with the growth and the characterization of silicon and germanium nanowhiskers, also called nanorods or nanowires. The investigation of these structures is of great interest as they represent promising building blocks for future electronic devices. With regard to a possible application, the knowledge of size, crystallographic orientation and position of the nanowhiskers is essential. The purpose of this work was, therefore, to investigate the growth of Si and Ge nanowhiskers with regard to their size, orientation and position. The nanowhiskers were grown via physical vapor deposition (PVD) in ultra-high vacuum using the vapor-liquid-solid (VLS) mechanism which is based on growth from solution droplets. The size of the nanowhiskers could be reproducibly determined by the experimental parameters in the case of Si nanowhiskers on Si(111) with gold as the solvent. A higher gold coverage as well as a higher substrate temperature led to larger droplet diameters and thus to thicker whiskers. A longer silicon evaporation time and a higher silicon rate led to longer whiskers. Thinner whiskers grew faster than thicker ones. A second material used as the solvent was indium as it is more suitable for electronic application compared to gold. Based on results of droplet formation of the two solvents on silicon, the better results of whisker growth using gold could be explained. Ge nanowhiskers grown from gold droplets on Ge(111) did not show the [111] orientation of the substrate as in the case of Si nanowhiskers on Si(111) but a orientation. By calculating nucleation energies on different crystal facets, the experimental findings could be explained. To position nanodroplets of the solvent material and thus to obtain a regular arrangement of nanowhiskers, substrates were pre-structured with nanopores by focused ion beams (FIB). Silicon and germanium nanowhiskers could be epitaxially grown from ordered arrays of gold droplets.

Gasphasenabscheidungen werden zur Produktion dünner Schichten in der Mikro- und Nanoelektronik benutzt, um eine präzise Kontrolle der Schichtdicke im Sub-Nanometer-Bereich zu erreichen. Elektronische Eigenschaften der Schichten werden dabei von strukturellen Eigenschaften determiniert, deren Bestimmung mit hohem experimentellem Aufwand verbunden ist. Die vorliegende Arbeit erweitert ein hochparalleles Modell zur atomistischen Simulation des Wachstums und der Struktur von Dünnschichten, welches Molekulardynamik (MD) und Kinetic Monte Carlo-Methoden (KMC) kombiniert, um die Beschreibung beliebiger Gasphasenabscheidungen. KMC-Methoden erlauben dabei die effiziente Betrachtung der Größenordnung ganzer Nano-Bauelemente, während MD für atomistische Genauigkeit sorgt. Erste Ergebnisse zeigen, dass das Parsivald genannte Modell Abscheidungen in Simulationsräumen mit einer Breite von 0.1 µm x 0.1 µm effizient berechnet, aber auch bis zu 1 µm x 1 µm große Räume mit 1 Milliarden Atomen beschreiben kann. Somit lassen sich innerhalb weniger Tage Schichtabscheidungen mit einer Dicke von 100 Å simulieren. Die kristallinen und amorphen Schichten zeigen glatte Oberflächen, wobei auch mehrlagige Systeme auf die jeweilige Lagenrauheit untersucht werden. Die Struktur der Schicht wird hauptsächlich durch die verwendeten molekulardynamischen Kraftfelder bestimmt, wie Untersuchungen der physikalischen Gasphasenabscheidung von Gold, Kupfer, Silizium und einem Kupfer-Nickel-Multilagensystem zeigen. Stark strukturierte Substrate führen hingegen zu Artefakten in Form von Nanoporen und Hohlräumen aufgrund der verwendeten KMC-Methode. Zur Simulation von chemischen Gasphasenabscheidungen werden die Precursor-Reaktionen von Silan mit Sauerstoff sowie die Hydroxylierung von alpha-Al2O3 mit Wasser mit reaktiven Kraftfeldern (ReaxFF) berechnet, allerdings ist weitere Arbeit notwendig, um komplette Abscheidungen auf diese Weise zu simulieren. Mit Parsivald wird somit die Erweiterung einer Software präsentiert, die Gasphasenabscheidungen auf großen Substraten effizient simulieren kann, dabei aber auf passende molekulardynamische Kraftfelder angewiesen ist.

Dehnungssensoren werden zur Überwachung von sicherheitsrelevanten Bauteilen, besonders in Bauteilen aus faserverstärkten Polymermatrixverbundwerkstoffen eingesetzt. Durch deren Integration in das Bauteilinnere werden sie vor schädigenden mechanischen sowie korrosiven Einwirkungen geschützt. Dies gewährleistet eine zuverlässige sowie dauerhafte Funktion. Verschiedene Ansätze zur Weiterentwicklung integrierbarer Dehnungssensoren werden international untersucht. Die Verringerung des Sensordurchmessers auf Abmaße im Bereich des Durchmessers von Verstärkungsfasern ist dabei ein bedeutendes Entwicklungsziel. Insbesondere bei der Integration in Bauteile aus faserverstärkten Kunststoffen sorgen zum Durchmesser von Fasern vergleichbare Sensordurchmesser für eine optimale Sensoranbindung. Die Bildung von Harznestern sowie schwächender Unstetigkeiten kann mittels dünner Sensoren verhindert werden. Dies gewährleistet eine artefaktefreie Dehnungsmessung. Drei verschiedene Ansätze für neuartige Dehnungssensoren mit kleinem Querschnitt wurden in dieser Arbeit untersucht. / Strain sensors are used for structural health monitoring issues, certainly in parts with high safety requirements made of fibre-reinforced plastic composites. The integration of these sensors inside the parts protects them against any mechanical and corrosive impact. The sensor functionality can be enhanced by integration. There is a lot of international research effort to further develop integratable strain sensors. Different approaches are currently pursued. This thesis presents the results of investigations on three different approaches for novel strain sensors. The main goal of these investigations was to minimise the sensor diameter down to the diameter of reinforcing fibres. The small diameter allows for an optimum and artefact free integration of the sensors. The formation of resin nests and notches to the material structure can be prevented by integrating sensor with a smaller diameter. The strain measurement and monitoring is enhanced and more reliable then.

Dehnungssensoren werden zur Überwachung von sicherheitsrelevanten Bauteilen, besonders in Bauteilen aus faserverstärkten Polymermatrixverbundwerkstoffen eingesetzt. Durch deren Integration in das Bauteilinnere werden sie vor schädigenden mechanischen sowie korrosiven Einwirkungen geschützt. Dies gewährleistet eine zuverlässige sowie dauerhafte Funktion. Verschiedene Ansätze zur Weiterentwicklung integrierbarer Dehnungssensoren werden international untersucht. Die Verringerung des Sensordurchmessers auf Abmaße im Bereich des Durchmessers von Verstärkungsfasern ist dabei ein bedeutendes Entwicklungsziel. Insbesondere bei der Integration in Bauteile aus faserverstärkten Kunststoffen sorgen zum Durchmesser von Fasern vergleichbare Sensordurchmesser für eine optimale Sensoranbindung. Die Bildung von Harznestern sowie schwächender Unstetigkeiten kann mittels dünner Sensoren verhindert werden. Dies gewährleistet eine artefaktefreie Dehnungsmessung. Drei verschiedene Ansätze für neuartige Dehnungssensoren mit kleinem Querschnitt wurden in dieser Arbeit untersucht. / Strain sensors are used for structural health monitoring issues, certainly in parts with high safety requirements made of fibre-reinforced plastic composites. The integration of these sensors inside the parts protects them against any mechanical and corrosive impact. The sensor functionality can be enhanced by integration. There is a lot of international research effort to further develop integratable strain sensors. Different approaches are currently pursued. This thesis presents the results of investigations on three different approaches for novel strain sensors. The main goal of these investigations was to minimise the sensor diameter down to the diameter of reinforcing fibres. The small diameter allows for an optimum and artefact free integration of the sensors. The formation of resin nests and notches to the material structure can be prevented by integrating sensor with a smaller diameter. The strain measurement and monitoring is enhanced and more reliable then.

Mit der vorliegenden Arbeit wird das Wachstum von polykristallinem Silicium auf Glas bei niedrigen Temperaturen aus metallischen Lösungen in einem Zweistufenprozess untersucht. Im ersten Prozessschritt werden nanokristalline Siliziumschichten (nc-Si) hergestellt, entweder durch die direkte Abscheidung auf geheizten Substraten oder durch als ''Amorphous-Liquid-Crystalline''(ALC)-Umwandlung bezeichnete metall-induzierte Kristallisation. Im zweiten Prozessschritt dienen die Saatschichten als Vorlage für das Wachstum von deutlich größeren Kristalliten durch stationäre Lösungszüchtung. Die ALC-Prozessdauer konnte durch umfassende Parameterstudien signifikant reduziert werden. Die Charakterisierung der durch direkte Abscheidung auf geheizten Substraten entstehenden nc-Si Saatschichten offenbarte, dass es sich dabei um individuelle Saatkörner handelt, die in eine quasi-amorphe Matrix eingebettet sind. Die Oxidation der Saatschichten vor dem zweiten Prozessschritt wurde als ein wesentliches Hindernis für das Wachstum identifiziert. Als erfolgreichste Lösung zur Überwindung dieses Problems hat sich ein anfänglicher Rücklöseschritt erwiesen. Da diese Methode jedoch schwierig zu kontrollieren ist, wurde ein UV-Laser-System entwickelt und installiert. Erste Resultate zeigen epitaktisches Wachstum an den Stellen, an denen das Oxid entfernt wurde. Bei der Lösungszüchtung auf ALC-Schichten beginnt das Wachstum an einigen größeren Saatkristallen, von wo aus umliegende Gebiete lateral überwachsen werden. Obwohl Kristallitgrößen bis zu 50 Mikrometern erreicht wurden, war es noch nicht möglich, geschlossene Schichten zu erzielen. Durch Lösungszüchtung auf nc-Si Saatschichten hingegen konnte dieses Ziel erreicht werden. Geschlossene, polykristalline Si-Schichten wurden erzeugt, auf denen alle Si-Kristallite miteinander verbunden sind. Neben den Wachstumsexperimenten wurden 3D-Simulationen durchgeführt, in denen u.a. unterschiedliche Heizerkonfigurationen simuliert wurden. / The subject of this thesis is the investigation of the growth of polycrystalline silicon on glass at low temperatures from metallic solutions in a two-step growth process. In the first process step, nanocrystalline Si (nc-Si) films are formed either by direct deposition on heated substrates, or by a metal-induced crystallization process, referred to as amorphous-liquid-crystalline (ALC) transition. In the second process step, these seed layers serve as templates for the growth of significantly larger Si crystallites by means of steady-state solution growth. Extensive parameter studies for the ALC process helped to bring down the process duration significantly. Characterization of the nc-Si seed layers, formed by direct deposition on heated substrates, showed that the layer is composed of individual seeds, embedded in a quasi-amorphous matrix. The oxidation of the seed layers prior to the second process step was found to be a major obstacle. The most successful solution has been an initial melt-back step. As the process is hard to control, though, a UV laser system has been developed and installed. First promising results show unobstructed epitaxial growth where the oxide has been removed. Steady-state solution growth on ALC seed layers was found to start from a few larger seed crystals, and then cover the surrounding areas by lateral overgrowth. Although crystallites with sizes of up to 50 micrometers were obtained, it was not yet possible to achieve full surface coverage with a continuous layer. By solution growth on nc-Si seed layers, however, it was eventually possible to achieve this goal. Continuous, polycrystalline Si layers were grown, on which all Si crystallites are interlocked. The growth experiments were accompanied by 3D simulations, in which e.g. different heater configurations have been simulated.

Gasphasenabscheidungen werden zur Produktion dünner Schichten in der Mikro- und Nanoelektronik benutzt, um eine präzise Kontrolle der Schichtdicke im Sub-Nanometer-Bereich zu erreichen. Elektronische Eigenschaften der Schichten werden dabei von strukturellen Eigenschaften determiniert, deren Bestimmung mit hohem experimentellem Aufwand verbunden ist. Die vorliegende Arbeit erweitert ein hochparalleles Modell zur atomistischen Simulation des Wachstums und der Struktur von Dünnschichten, welches Molekulardynamik (MD) und Kinetic Monte Carlo-Methoden (KMC) kombiniert, um die Beschreibung beliebiger Gasphasenabscheidungen. KMC-Methoden erlauben dabei die effiziente Betrachtung der Größenordnung ganzer Nano-Bauelemente, während MD für atomistische Genauigkeit sorgt. Erste Ergebnisse zeigen, dass das Parsivald genannte Modell Abscheidungen in Simulationsräumen mit einer Breite von 0.1 µm x 0.1 µm effizient berechnet, aber auch bis zu 1 µm x 1 µm große Räume mit 1 Milliarden Atomen beschreiben kann. Somit lassen sich innerhalb weniger Tage Schichtabscheidungen mit einer Dicke von 100 Å simulieren. Die kristallinen und amorphen Schichten zeigen glatte Oberflächen, wobei auch mehrlagige Systeme auf die jeweilige Lagenrauheit untersucht werden. Die Struktur der Schicht wird hauptsächlich durch die verwendeten molekulardynamischen Kraftfelder bestimmt, wie Untersuchungen der physikalischen Gasphasenabscheidung von Gold, Kupfer, Silizium und einem Kupfer-Nickel-Multilagensystem zeigen. Stark strukturierte Substrate führen hingegen zu Artefakten in Form von Nanoporen und Hohlräumen aufgrund der verwendeten KMC-Methode. Zur Simulation von chemischen Gasphasenabscheidungen werden die Precursor-Reaktionen von Silan mit Sauerstoff sowie die Hydroxylierung von alpha-Al2O3 mit Wasser mit reaktiven Kraftfeldern (ReaxFF) berechnet, allerdings ist weitere Arbeit notwendig, um komplette Abscheidungen auf diese Weise zu simulieren. Mit Parsivald wird somit die Erweiterung einer Software präsentiert, die Gasphasenabscheidungen auf großen Substraten effizient simulieren kann, dabei aber auf passende molekulardynamische Kraftfelder angewiesen ist.:Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Symbolverzeichnis 1 Einleitung 2 Grundlagen 2.1 Gasphasenabscheidungen 2.1.1 Physikalische Gasphasenabscheidung 2.1.2 Chemische Gasphasenabscheidung 2.1.3 Atomlagenabscheidung 2.1.4 Methoden zur Simulation von Gasphasenabscheidungen 2.2 Molekulardynamik 2.2.1 Formulierung der Molekulardynamik 2.2.2 Auswahl verfügbarer Molekulardynamik-Software 2.2.3 Molekulardynamische Kraftfelder 2.3 Kinetic Monte Carlo-Methoden 2.4 Datenstrukturen 2.4.1 Numerische Voraussetzungen an Gasphasenabscheidungen 2.4.2 Vergleich der Laufzeiten für verschiedene Datenstrukturen 2.4.3 Effiziente Datenstrukturen 2.4.4 Alpha-Form 3 Methoden und Modelle 3.1 Stand der Forschung 3.1.1 Anwendungen von KMC-Simulationen für die Gasphasenabscheidung 3.1.2 Anwendung von MD-Simulationen für die Gasphasenabscheidung 3.2 Parsivald-Modell 3.2.1 Zielsetzung für Parsivald 3.2.2 Beschreibung des Parsivald-Modells 3.2.3 Annahmen und Einschränkungen 3.2.4 Erweiterungen im Rahmen der Masterarbeit 3.2.5 Behandlung von fehlerhaften Ereignissen 3.3 Laufzeitanalyse von Parsivald-Simulationen 3.3.1 Ereignis-Laufzeit TE 3.3.2 Ereignis-Durchsatz RE 3.3.3 MD-Laufzeit TMD 3.3.4 Worker-Laufzeit Tworker 3.3.5 Serielle Laufzeit T1 3.3.6 Anzahl der parallelen Prozesse p 3.3.7 Workerdichte rhoworker 3.3.8 Parallele Laufzeit Tp 3.3.9 Speedup Sp 3.3.10 Parallele Effizienz Ep 3.3.11 Auswertung der Laufzeitparameter 3.3.12 Fazit 3.4 MD-Simulationen: Methoden und Auswertungen 3.4.1 Zeitskalen in MD-Simulationen 3.4.2 Relaxierungen 3.4.3 Strukturanalysen 3.4.4 Bestimmung der Dichte und Temperatur 3.4.5 Radiale Verteilungsfunktionen, Bindungslänge und Koordinationszahl 3.4.6 Oberfläche, Schichtdicke, Rauheit und Porösität 3.4.7 Reaktionen und Stabilität von Molekülen 4 Simulationen von Gasphasenabscheidungen 4.1 Gold-PVD 4.1.1 Voruntersuchungen 4.1.2 Thermodynamische Eigenschaften 4.1.3 Simulation von Gold-PVD 4.1.4 Skalierbarkeit mit der Simulationsgröße 4.1.5 Fazit 4.2 Kupfer-PVD 4.2.1 Voruntersuchungen 4.2.2 Thermodynamische Eigenschaften 4.2.3 Simulation von Kupfer-PVD 4.2.4 Untersuchung der maximalen Workerdichte 4.2.5 Fazit 4.3 Multilagen-PVD 4.3.1 Multilagen-Simulationen mit Parsivald 4.3.2 Vergleich mit Ergebnissen reiner MD-Simulationen 4.3.3 Vergleich der Parallelisierbarkeit 4.3.4 Fazit 4.4 Silizium-PVD 4.4.1 Voruntersuchungen 4.4.2 Simulationen von Silizium-PVD 4.4.3 Fazit 4.5 Aluminiumoxid-ALD 4.5.1 ReaxFF-Parametersätze 4.5.2 Voruntersuchungen 4.5.3 Fazit 5 Zusammenfassung und Ausblick 5.1 Zusammenfassung 5.2 Ausblick A Physikalische Konstanten und Stoffeigenschaften B Datenstrukturen B.1 Übersicht über KMC-Operationen B.2 Beschreibung grundlegender Datenstrukturen B.3 Delaunay-Triangulationen B.3.1 Ausgewählte Eigenschaften einer Delaunay-Triangulation B.3.2 Algorithmen zur Konstruktion einer Delaunay-Triangulation C Ergänzungen zur Laufzeitanalyse von Parsivald C.1 Einfluss der Ereignis-Laufzeit auf die effiziente Raumgröße weff C.2 Zusätzliche Einflüsse auf das Maximum der Prozesse pmax C.3 Abschätzung der maximalen Workerdichte per Random Sequential Adsorption D Ergänzungen zur Simulation von Gold-PVD E Multilagen-PVD E.1 Porenbildung bei Unterrelaxation E.2 Simulationen mit Lagendicken von jeweils 5 nm F Simulation der CVD-Precursormoleküle Silan und Sauerstoff F.1 Stabilität der Precursormoleküle F.2 Reaktion der Precursormoleküle Literaturverzeichnis