Opto-electronic semiconductor technology continues to grow at an accelerated pace, as the industry seeks to perfect devices such as light emitting diodes for purposes of optical processing and communication. A strive for greater efficiency with shrinking device dimensions, continually pushes the technology from both a design and materials aspect. Nanosystems such a quantum dots, also face new material engineering challenges as they enter the realm of quantum mechanics, with each system and material having markedly different electronic properties. Traditionally, the semiconductor industry has focused on materials such Group II-VI and III-V compounds as the basis material for future opto-electronic needs. Unfortunately, these material systems can be expensive and have difficulties integrating into current Si-based technology. The industry is reluctant to leave silicon due in part to silicon's high quality oxide, and the enormous amount of research invested into silicon based circuit fabrication. Although recently materials such as GaN are starting to dominate the electro-optical industry since a Si-based substitute has not been found. The purpose of the dissertation was to examine several promising systems that could be easily integrated into current Si-based technology and also be produced using simple inexpensive fabrication techniques such ion implantation. The development of optically active nano-sized precipitates in silica to form the active layer of an opto-electronic device was achieved with ion implantation and thermal annealing. Three material systems were investigated. These systems consisted of carbon, silicon and metal silicide based nanocrystals. The physical morphology and electronic properties were monitored using a variety of material characterization techniques. Rutherford backscattering/channeling were used to monitor elemental concentrations, photoluminescence was used to monitor the opto-electronic properties and transmission electron microscopy was used to study the intricate morphology of individual precipitates. The electronic properties and the morphology were studied as a function of implant dose, anneal times and anneal temperatures.

The semiconducting silicides offer significant potential for use in optoelectronic devices. Full implementation of the materials, however, requires the ability to tailor the energy gap and band structure to permit the synthesis of heterojunctions. One promising approach is to alloy the silicides with Ge. As part of an investigation into the synthesis of semiconducting silicide heterostructures, a series of β-Fe(Si1−xGex)2 epilayer samples, with nominal alloy content in the range 0 < x < 0.15, have been prepared by molecular beam epitaxy on Si(100). I present results of the epitaxial and crystalline quality of the films, as determined by reflection high-energy electron diffraction, Rutherford backscattering spectroscopy, and double crystal x-ray diffraction, and of the band gap dependence on the alloy composition, as determined by Fourier transform infrared spectroscopy. A reduction in band gap was observed with increasing Ge content, in agreement with previous theoretical predictions. However Ge segregation was also observed in β-Fe(Si1−xGex)2 epilayers when x > 0.04. Osmium silicide films have been grown by molecular beam epitaxy on Si(100). The silicides have been grown using e-beam evaporation sources for both Os and Si onto Si(100) substrates at varying growth rates and temperatures ranging from 600-700ºC. The resulting films have been analyzed using reflection high-energy electron diffraction, Raman spectroscopy, reflectivity measurements, in-plane and out of plane X-ray diffraction and temperature dependent magnetotransport. A change in crystalline quality is observed with an increase in Si overpressure. For a lower silicon to osmium flux ration (JSi/JOs=1.5) both OsSi2 and Os2Si3 occur, whereas with a much larger Si overpressure (JSi/JOs>4), crystalline quality is greatly increased and only a single phase, Os2Si3, is present. The out-of-plane X-ray diffraction data show that the film grows along its [4 0 2] direction, with a good crystal quality as evidenced by the small FWHM in the rocking curve. The in-plane X-ray diffraction data show growth twins with perpendicular orientation to each other.

CrSi2 ist eines der wenigen halbleitenden Silicide. Wegen seiner hohen thermischen und chemischen Stabilität ist es einerseits für thermoelektrische Anwendungen geeignet, andererseits kommt es auch für photovoltaische und mikro-elektronische Applikationen in Frage. Vorraussetzung ist oftmals eine definierte Silizium(001)-Silicid Grenzfläche. Aus diesem Grunde wurden dünne CrSi2-Schichten in einer MBE-Anlage unter UHV-Bedingungen auf n-Si(001) Substrat gewachsen. Die sich ergebene Schichtmorphologie wurde in Abhängigkeit von unterschiedlichen Herstellungsparametern mittels TEM und REM untersucht. Des weiteren wurden die Schichten mit Hilfe von Elektronen- und Röntgenbeugung hinsichtlich bevorzugt auftretender Epitaxiebeziehungen charakterisiert.

Die Arbeit befasst sich mit dem Wachstum dünner CrSi2-Schichten auf Si(001). Die Schichtherstellung wurde mittels eines template-Verfahrens in einer MBE-Anlage realisiert. Die Charakterisierung der Schichten erfolgte mittels RBS,AES,LEED,REM,TEM,XRD sowie Widerstandsmessungen.

Elektronenmikroskopie zum Wachstum von Chromdisilizid in Multilagen (nm-Bereich). Variation der abgeschiedenen Zusammensetzung und Tempertemperatur.

In der vorliegenden Arbeit wurden Röntgentechniken benutzt um die Struktur von dünnen (etwa 40 nm) CrSi2-Schichten, die unter UHV-Bedingungen mittels reaktive Koabscheidung und template-Verfahren auf Si(001) hergestellt wurden, zu charakterisieren. Die Ergebnisse wurden mit TEM-, SEM- und RBS-Untersuchungen korreliert und ergänzt. Die XRD-Analysen zeigen, dass die beiden Abscheideverfahren immer zur Bildung der CrSi2-Phase führen, wobei die Kristallite mit einer bevorzugten Orientierungsbeziehung CrSi2(001)[100] || Si(001)[110] wachsen. Im ersten Teil der Arbeit wurde die Cr-Si-Koabscheidung benutzt um die Prozessparameter zu bestimmen, die zum Wachstum epitaktischer Schichten führen können. Die Strukturuntersuchungen zeigen, dass nur bei einer Substrattemperatur von 700°C nahezu geschlossene Schichten mit Kristalliten, welche lateral eine Größe bis zu 300 nm haben und neben der bevorzugten noch andere Orientierungen zum Substrat aufweisen, entstehen. Als zweite Herstellungsmethode wurde das template-Verfahren verwendet, wo die Cr-Si-Koabscheidung auf ein vorher in-situ präpariertes ultradünnes CrSi2-template erfolgt. Die Morphologie und die Stärke der bevorzugten Orientierung der CrSi2-Schichten sind stark von der template-Dicke abhängig. Die Abscheidung auf CrSi2-templates, welche aus einer Cr-Schicht mit nominaler Dicker von 0,35 nm bis 0,52 nm entstehen, führt zum Wachstum weitgehend geschlossener, homogener und epitaktischer CrSi2-Schichten. Ein Modell, das den Einfluss der template-Dicke auf die Qualität der CrSi2-Schichten erklären kann, wird vorgeschlagen.

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

Nickel-Silicidphasen wurden auf neuen Synthesewegen bei relativ niedrigen Temperaturen und kurzen Reaktionszeiten präpariert. Die Belastung von dispersem Metall mit Siliciumtetrachlorid liefert Produkte, die mit den thermodynamischen Berechnungen korrelieren. Bei der direkten Umsetzung von Nickelhalogeniden mit Silicium beeinflussen die Versuchsbedingungen wesentlich die Zusammensetzung der resultierenden Phasengemische. Durch Temperungen reduziert sich der Bestand an Silicidphasen. Die Umsetzung von Nickelchlorid und Silicium gelang erstmals auch in einer KCl/LiCl-Salzschmelze als Reaktionsmedium, wodurch sich thermodynamisch vorhersagbare Silicidphasen erhalten lassen. In einigen Fällen deuten die Ergebnisse auf die Bildung halogenhaltiger, bei Raumtemperatur metastabiler Silicidphasen hin. Zum Reaktionsmechanismus werden zwei über die Oxidationsstufe +2 des Siliciums verlaufende Routen diskutiert.

Ausgehend von den binären Systemen La-H und La-Si, wurde das Hydrierungs- und Dehydrierungsverhalten von La5Si3, LaSi und LaSi2 mittels thermogravimetrischer und thermoanalytischer Methoden eingehend untersucht und mit den Aussagen thermodynamischer Gleichgewichtsberechnungen verglichen. Die synthetisierten Silicide und Reaktionsprodukte wurden mittels Röntgenpulverdiffraktometrie charakterisiert. La als starker Hydridbildner dominiert die Eigenschaften seiner Silicide. Ein hoher La-Gehalt führt zu einer starken H2-Affinität des Silicids. Zusätzlich zu den berechneten binären Phasen kommt es zur Bildung von stabilen und metastabilen ternären Hydriden. Während LaSi2 über einen weiten Druck- und Temperaturbereich nicht mit H2 reagiert, nimmt La5Si3 schon bei niedrigen Temperaturen in einer mehrstufigen Reaktion unter Zerfall der Ausgangsverbindung Wasserstoff auf. Die Hydrierung von LaSi verläuft reversibel unter Bildung eines stabilen ternären Hydrides. Die Synthese von La-Siliciden aus LaH3 und Si ist in Abhängigkeit vom La-Gehalt schon bei milden Temperaturen möglich.

Übergangsmetallsilicide, die geringe Mengen Chlor enthalten, dienen als Modellverbindungen für Katalysatoren in der technischen Siliciumchemie. Bei der Umsetzung von Nickelsiliciden mit NiCl2 entstehen solche chlorhaltigen Silicide. Die erhaltenen Verbindungen wurden chemisch, strukturell und spektroskopisch charakterisiert und thermodynamisch modelliert. Aus kinetischen und thermodynamischen Untersuchungen der Gesamtreaktion sowie der ablaufenden Teilreaktionen, wird ein Modell über den Reaktionsverlauf abgeleitet. Die Bildung chlorhaltiger Nickelsilicide verläuft über gekoppelte Gas-Fest- und Fest-Fest-Reaktionen, in denen metastabile, intermediäre chlorreiche Phasen entstehen. Rückschlüsse auf die technisch relevanten Prozesse werden gezogen.