The structural evolution of carbon:transition metal (C:TM) nanocomposite thin films is investigated in two regimes: (i) surface diffusion governed regime occurring during the film growth and (ii) bulk diffusion dominated regime occurring during the post-deposition thermal annealing. C:V, C:Co, and C:Cu nanocomposite films were grown by ion beam co-sputtering. The influence of the metal type, metal content (15-40 at.%), substrate temperature (RT-500°C), and annealing temperature (300-700°C) on the structure and morphology of the composite is studied by the means of elastic recoil detection analysis, X-ray diffraction, transmission electron microscopy, and Raman spectroscopy.
Vanadium (copper) is in carbidic (metallic) state in the whole temperature range of the study. In contrast, cobalt is in carbidic state up to 300°C and becomes metallic at higher growth temperatures. The nanoparticles in C:V films exhibit a globular shape at RT-500°C, whereas in C:Co and C:Cu films a growth transition from globular to elongated nanoparticles occurs around 300°C. The comparison of the Raman spectroscopy results from carbon reference and C:TM thin films shows that the presence of the metal during growth significantly enhances the formation of sixfold ring carbon clusters at temperatures as low as RT. The enhancement occurs independently of the nanoparticle size, shape, and phase, and metal content, and is related to processes taking place on the nanoparticle surface of the growing film rather than in the bulk. The degree of enhancement depends on the TM type and content.
Post-deposition annealing of C:Co and C:Cu films at 700°C causes the metal segregation at the film surface, while no changes upon annealing occur in C:V films. In addition, cobalt brings about the carbon graphitization by a dissolution-diffusion-precipitation mechanism, similar to the metal-mediated crystallization of amorphous silicon or germanium. No graphitization upon annealing occurs in C:V, C:Cu, and carbon reference films. / Die Strukturentwicklung in Kohlenstoff-Übergangsmetall-Nanokompositschichten wird in zwei Bereichen untersucht: (i) im oberflächendiffusionsgesteuerten Bereich während des Schichtwachstums und (ii) im bulkdiffusionsdominierten Bereich während des nachträglichen Temperns. C:V, C:Co und C:Cu Nanokompositschichten wurden durch Ionenstrahl Co-Sputtern hergestellt. Der Einfluss des Metalltyps, des Metallgehalts (15-40 at.%), der Substrattemperatur (RT-500°C) und der Temperatur beim Tempern (300-700°C) auf die Struktur und Morphologie des Komposits wird mittels elastischer Rückstoßteilchen-Analyse, Röntgenbeugung, Transmissionselektronenmikroskopie und Ramanspektroskopie untersucht.
Vanadium (Kupfer) ist im gesamten Temperaturbereich der Studie in karbidischem (metallischen) Zustand. Im Gegensatz dazu befindet sich Kobalt bis zu einer Temperatur von 300°C in karbidischem Zustand und wird bei höheren Abscheidetemperaturen metallisch. Die Nanopartikel in C:V Filmen besitzen eine runde Form im Temperaturbereich von RT bis 500°C wohingegen bei den C:Co und C:Cu Filmen ein Übergang von runden zu länglichen Partikeln bei etwa 300°C zu beobachten ist. Der Vergleich der Ramanspektroskopieresultate der Kohlenstoffreferenzproben und der Nanokompositschichten zeigt, dass die Anwesenheit des Metalls während des Schichtwachstums die Bildung von sechsatomigen Kohlenstoffringclustern bei Temperaturen so niedrig wie Raumtemperatur deutlich fördert. Die Erhöhung tritt unabhängig von der Partikelgröße, -form und phase und unabhängig vom Metallgehalt auf, und betrifft eher Prozesse, die auf der Oberfläche der Nanopartikel während des Schichtwachstums stattfinden als im Bulk. Der Grad der Erhöhung hängt vom Metalltyp und -gehalt ab.
Nachträgliches Tempern der C:Co und C:Cu Filme bei 700°C führt zur Segregation des Metalls an der Schichtoberfläche während in den C:V Filmen keine Veränderungen durch das Tempern auftreten. Des weiteren kommt es in den C:Co Filmen zur Graphitisierung des Kohlenstoffs durch einen „Lösungs-Diffusions-Ablagerungs“ Mechanismus ähnlich der metallvermittelten Kristallisierung in amorphem Silizium und Germanium. In den C:V, C:Cu und Kohlenstoffreferenzfilmen findet keine Graphitisierung während des Temperns statt.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:25226 |
| Date | 21 December 2009 |
| Creators | Berndt, Markus |
| Contributors | Möller, Wolfhard, Zahn, Wieland, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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