With the advancement and accessibility of local probing techniques that can operate at the submicron scale it has become possible to analyse the local corrosion properties of industrially important metallic materials and relate these properties to microstructure characteristics of the same materials. In this doctoral study the focus has been on copper-zinc samples, both as industrial brass alloys and as micro-patterned copper-zinc samples. They have been exposed to dilute chloride solutions and to an atmosphere that mimics indoor conditions that cause corrosion. The main goal has been to investigate micro-galvanic effects caused by surface heterogeneities in the copper-zinc samples, and the corrosion inhibition ability of a self-assembled octadecanethiol (ODT, CH3(CH2)17SH) monolayer when applied to these heterogeneous samples. The local chemistry, local electrochemistry, and local surface chemistry in the presence of the copper-zinc galvanic couplings have been elucidated, and their importance has been investigated for corrosion initiation, propagation, termination, and inhibition. A broad spectrum of local probe techniques has been utilised. They include optical microscopy (ex situ and in situ), electrochemical techniques, scanning electron microscopy with energy dispersive spectroscopy, atomic force microscopy, scanning Kelvin probe force microscopy and confocal Raman spectroscopy. In addition, infrared reflection absorption spectroscopy (in situ) and vibrational sum frequency spectroscopy have been employed to analyse the formation of corrosion products and monitor the corrosion kinetics.    A characteristic selective zinc dissolution process was triggered in non-metallic inclusions when a brass alloy was exposed to 1 mM NaCl. Disc-like corrosion areas spread radially outwards from the inclusions, the shape and termination of which was attributed to accessibility to chloride ions. An ODT-layer deposited on brass retarded access to chloride ions at the brass surface and slowed down the radial corrosion process. Instead a delayed formation of filiform-like corrosion was observed.    Upon exposure of the copper-zinc patterned sample to humidified air containing formic acid, micro-galvanic effects were induced by the copper patches on zinc that accelerated the zinc dissolution in the thin aqueous adlayer with concomitant precipitation of zinc formate. The micro-galvanic effects not only resulted in accelerated corrosion rates for zinc, but also in broadening of shapes and atomic structures for the corrosion products formed. Crystalline zinc oxide and zinc formate were observed on the copper-zinc patterned samples, whereas amorphous zinc oxide and zinc formate were formed on the bare zinc surface. Micro-galvanic effects occurred in the two-phase Cu40Zn (Cu with 40 wt% Zn) brass alloy as well, induced by more zinc-rich beta-phase grains surrounded by an alpha matrix with lower zinc-content.    The application of a self-assembled monolayer of ODT for corrosion inhibition of pure zinc and the patterned copper-zinc samples was also explored. In situ infrared reflection absorption spectroscopy analyses showed that ODT initially reduced the rate of zinc formate formation on pure zinc and on the copper-zinc micro-patterned sample. However, the inhibition efficiency was slightly reduced with exposure time due to local removal of ODT on pure zinc and on the micro-patterned samples. This caused micro-galvanic effects that resulted in increased rates of zinc formate formation on the ODT-covered samples – even higher than on the uncovered samples. When applied to the single-phase Cu20Zn alloy, ODT resulted in a corrosion inhibition that was comparable to that of pure copper, a metal for which ODT has shown very good corrosion inhibition. On double-phase Cu40Zn local galvanic effects resulted in less efficient corrosion inhibition and more abundant corrosion products than on Cu20Zn. Based on vibrational sum frequency spectroscopy, the ODT-layer retained its well-ordered molecular structure throughout the exposure to both Cu20Zn and Cu40Zn.    In all, the inhibiting action of the ODT-layer was attributed to the transport hindrance of corrosion promoters (O2, H2O, and HCOOH) to the brass surface. This result suggests that ODT can function as a temporary corrosion inhibitor for brass exposed to benign indoor environments. / Med utvecklingen av och tillgången till lokala analysmetoder som kan ge information med en lateral upplösning på mindre än en mikrometer har det blivit möjligt att analysera lokala korrosionsegenskaper hos industriellt viktiga metalliska material och relatera dessa egenskaper till mikrostrukturen hos samma material. I doktorsavhandlingen har denna möjlighet utnyttjats för koppar-zinkprover, dels som industriella mässingslegeringar dels som mikro-mönstrade koppar-zinkprover, som exponerats för utspädda kloridlösningar samt för en atmosfär som kan efterlikna den atmosfäriska korrosionen inomhus. Det huvudsakliga målet har varit att undersöka dels mikro-galvaniska korrosionseffekter som orsakas av heterogeniteter på koppar-zinkytorna dels korrosionsförmågan hos självorganiserande monolager av oktadekantiol (ODT, CH3(CH2)17SH) vid adsorption på dessa heterogena ytor. På så vis har den lokala kemin, ytkemin och elektrokemin kunnat klarläggas i närvaro av galvaniska effekter, och dess betydelse har undersökts för korrosionsprocessens initiering, propagering, terminering och inhibering. Ett brett spektrum av lokala analysmetoder har utnyttjats. De innefattar ljusoptisk mikroskopi (ex situ och in situ), elektrokemiska metoder, svepelektronmikroskopi med energidispersiv röntgen-spektroskopi, atomkraftsmikroskopi för mikro-kartering och Voltapotentialmätningar samt konfokal Raman-spektroskopi. Dessutom har infrarödreflektions absorptionsspektroskopi (in situ) och vibrationssummafrekvens spektroskopi (engelska: vibrational sum frequency generation) använts.    När en mässingslegering exponerades för 1 mM NaCl observerades en selektiv utlösning av zink med karakteristiskt utseende som växte radiellt från icke-metalliska inneslutningar för att bilda cirkulärt formade korrosionsområden. Formen och termineringen av denna korrosionsprocess bestäms av tillgången på kloridjoner. När ett monolager av ODT adsorberades på mässingslegeringen hämmades tillgången av kloridjoner på mässingsytan och den radiella korrosionsprocessen stannade upp. Istället iakttogs en fördröjd bildning av s.k. filiform korrosion.    Vid exponering av mikro-mönstrade koppar-zinkprover för befuktad luft med låga tillsatser av myrsyra inducerades mikro-galvaniska effekter i gränsen mellan koppar och zink som accelererade utlösningen av zink i den adsorberade fuktfilmen på provet, under samtidig utfällning av zinkformat. De mikro-galvaniska effekterna resulterade inte bara i förhöjda korrosionshastigheter jämfört med de på ren zink, utan även i andra faser hos bildade korrosionsprodukter. På de mikro-mönstrade koppar-zinkproverna bildades kristallint zinkoxid och zinkformat, under det att amorft zinkoxid och zinkhydroxyformat bildades på ren zink. Mikrogalvaniska effekter observerades även i den tvåfasiga mässingslegeringen Cu40Zn (Cu med 40 vikt-% Zn) orsakade av kontakten mellan den mer zinkrika beta-fasen och den omgivande alfa-fasen med lägre zinkhalt.    Appliceringen av ett självorganiserat monolager av ODT för korrosionsinhibering av ren zink och koppar-zinkprover har också undersöks. In situ infrarödreflektions absorptionsspektroskopi visade att adsorberat ODT initialt hämmade bildningen av zinkformat på ren zink och på de mikro-mönstrade koppar-zinkproverna. Med tiden minskade ODTs korrosionsinhiberings-förmåga på grund av att ODTs vidhäftning lokalt försvann. De mikro-galvaniska effekter som därigenom uppstod resulterade i bildandet av zinkformat som med tiden blev snabbare på de ODT-belagda proverna än på motsvarande prover utan ODT. När ODT applicerades på den enfasiga mässingslegeringen Cu20Zn resulterade detta i en korrosionsinhibering som var jämförbar med den på ren koppar, en metall på vilken ODT tidigare visat mycket bra korrosionsskydd. På den tvåfasiga mässingslegeringen Cu40Zn ledde lokala galvaniska effekter till en mindre effektiv korrosions-inhibering och en rikligare mängd korrosionsprodukter än på Cu20Zn. Baserat på vibrationssummafrekvens spektroskopi behöll ODT-lagret dess välordnade struktur under hela exponeringen på både Cu20Zn och Cu40Zn.    ODTs korrosionsinhibering tillskrivs främst transport-hämningen av korrosionsstimulatorer (O2, H2O och HCOOH) till mässingsytan och antyder att ODT kan fungera som en temporär korrosionsinhibitor för mässing i milda inomhusmiljöer. / <p>QC 20140915</p>

Ge-Sb-Te basierte Phasenwechselmaterialen sind vielersprechende Kandidaten für die Anwendung in optischen und elektrischen nicht-flüchtigen Speicheranwendungen. Diese Materialien können mit Hilfe von elektrischen oder optischen Pulsen reversibel zwischen der kristallinen und amorphen Struktur geschaltet werden. Diese stukturellen Phasen zeigen einen großen Unterschied in ihren elektronischen Eigenschaften, der sich in einer starken Änderung der optischen Reflektivität und des elektrischen Widerstands zeigt.Diese Studie befasst sich mit epitaktischem Wachstum und Analyse der epitaktischen Schichten. Der erste Teil der Arbiet befasst sich mir dem epitaktischen Wachstum von GeTe. Dünne GeTe Schichten wurden auf Si(111) und Si(001) Substraten mit einer Gitterfehlanpassung von 10.8% präpariert. Auf beiden Substraten bildet sich in der GeTe Schicht die [111] Oberflächenfacette parallel zur Si(001) und Si(111) Oberfläche aus. Während des inertialen Wachstums findet eine Phasentransformation von amorph zu kristallin statt. Diese Phasentransformation wurde mittels azimuthaler in-situ Beugung hochenergetischer Elektronen sowie in-situ Röntgenbeugung unter streifendem Einfall untersucht. Der zweite Teil der Arbeit wird die Epitaxie sowie die strukturelle Charakterisierung dünner Sb2Te3 Schichten dargestellt. Der dritte Teil umfasst die Epitaxie terniärer Ge-Sb-Te Schichten . Zum Wachstum wurden sowohl die Substrattemperatur als auch die Ge, Sb und Te Flüsse variiert. Es wird gezeigt, dass die Komposition der Schicht stark von der Wachtumstemperatur abhängt und nur entlang der pseudibinären Verbindungslinie von GeTe-Sb2Te3 variiert. Zur Kontrolle des Wachstums wurde dabei die in-situ Quadrupol Massenspektroskopie verwendet. Es zeigen sich diverse inkommensurate Beugungsmaxima entlang der [111] Oberflächennormalen der Schichten, anhand derer die Ausbildung einer Lehrstellen Ordnung in Form einer Überstruktur diskutiert wird. / Ge-Sb-Te based phase change materials are considered as a prime candidate for optical and electrical data storage applications. With the application of an optical or electrical pulse, they can be reversibly switched between amorphous and crystalline state, thereby exhibiting large optical and electrical contrast between the two phases, which are then stored as information in the form of binary digits. Single crystalline growth is interesting from both the academic and industrial perspective, as ordered Ge-Sb-Te based metamaterials are known to exhibit switching at reduced energies. The present study deals with the epitaxial growth and analysis of Ge-Sb-Te based thin films. The first part of the thesis deals with the epitaxial growth of GeTe. Thin films of GeTe were grown on highly mismatched Si(111) and (001) substrates. On both the substrate orientations the film grows along [111] direction with an amorphous-to-crystalline transition observed during the initial stages of growth. The amorphous-to-crystalline transition was studied in-vivo using azimuthal reflection high-energy electron diffraction scans and grazing incidence x-ray diffraction. In the second part of the thesis epitaxy and characterization of Sb2Te3 thin films are presented. The third part of the thesis deals with the epitaxy of ternary Ge-Sb-Te alloys. The composition of the films are shown to be highly dependent on growth temperatures and vary along the pseudobinary line from Sb2Te3 to GeTe with increase in growth temperatures. A line-of-sight quadrupole mass spectrometer was used to reliably control the GeSbTe growth temperature. Growth was performed at different Ge, Sb, Te fluxes to study the compositional variation of the films. Incommensurate peaks are observed along the [111] direction by x-ray diffraction. The possibility of superstructural vacancy ordering along the [111] direction is discussed.

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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.

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.