Laserstimulierte Selbstorganisation in einfachen und komplexen Dünnschichtsystemen

Das Leitmotiv der vorliegenden Dissertation besteht in der Untersuchung laserstimulierter Selbstorganisation verschiedener Dünnschichtsysteme. Im Vergleich zu anderen Fertigungsprozessen wird die Strukturierung bei der Selbstorganisation nicht durch die direkte Kontrolle des verwendeten Werkzeuges bestimmt. Wie in der Einleitung genauer erläutert, wird vielmehr eine dynamische Materie-Umverteilung stimuliert. Bestehende Modelle dieser Selbstorganisationen beziehen sich fast usschließlich auf die initialen Systemparameter und vernachlässigen die zeitliche Veränderung und Reaktivität der Dünnschichten während der Laserstrukturierung. Aus diesem Grund wurden in dieser Arbeit Dünnschichten verschiedener physikochemischer Eigenschaften (z. B. aus Metallen oder metall-organischen Präkursoren) strukturiert. Die Komplexität des Systems wurde hierfür, ausgehend vom reinen Substrat, stetig erhöht. Dabei wurde unter anderem der Einfluss des Substrats, der Oxophilie und des Legierungsverhaltens der Dünnfilme auf die Nanostrukturierung untersucht. Bei Bestrahlung mit linear polarisiertem Licht entstehen LIPSS (engl.: laser-induced periodic surface structures), welche aus periodischen, linearen Nanostrukturen bestehen. Die Ausrichtung und Periodizität der LIPSS werden maßgeblich durch die Art des Materials und die Bestrahlungs-Parameter bestimmt. Durch Bestrahlung von Oberflächen mit zirkular polarisiertem Licht können zweidimensionale periodische Muster erzeugt werden. Die selbstorganisierten Strukturen werden folglich in 1D-LIPSS (Streifen) und 2D-LIPSS (Wabenmuster und geordnete Nanopartikelfelder) unterteilt. Der Fokus dieser Arbeit liegt dabei auf der Untersuchung der weniger bekannten 2D-LIPSS. Als in der akademischen Forschung gut etabliertes, anwendungsrelevantes und zugleich simples Modellsystem wird Silizium gewählt. Durch die Bestrahlung der Oberfläche bei gleichzeitiger lateraler Bewegung des Laserspots können 1D-LIPSS erzeugt werden. Da durch die Verwendung von zirkular polarisiertem Laserlicht keine inhärente Vorzugsrichtung vorliegt, stellt sich die Bewegungsrichtung des Lasers als einzige richtungsgebende Komponente der LIPSS-Erzeugung heraus. Die Kristallausrichtung kann hierbei als zweiter Einflussfaktor ausgeschlossen werden. Zur Erhöhung der Komplexität wird das System um einen möglichst inerten Metalldünnfilm erweitert. Dazu werden Siliziumwafer mit einer Goldschicht im einstelligen Nanometerbereich bedampft. Die Laserstimulation dieser Dünnfilme führt zur Selbstorganisation des Goldes zu periodisch angeordneten Nanopartikeln. Die Partikel sind teilweise in das Si-Substrat eingesunken, wessen kristallographische Ausrichtung die Partikel-Morphologie bestimmt. So besitzen diese auf einer Si(100)-Oberfläche eine linsenförmige Form, während auf einer Si(111)-Oberfläche die Form abgerundeter, flacher Dreiecke entsteht. Bei analog durchgeführten Experimenten unterschiedlicher reaktiveren Metalldünnschichten aus Silber, Kupfer, Eisen, Zink und Titan entstehen neben den periodisch angeordneten Nanopartikelfeldern (hexagonal oder quadratisch) ebenfalls Metall-Wabenmuster und 1D-LIPSS. Durch graduelles Erhöhen der eingebrachten Gesamtenergie kann allgemein ein Morphologie Verlauf der Metallstrukturen ausgehend von einer Entnetzung, über eine Bildung von 1DLIPSS, Wabenmustern und letztendlich geordneter Nanopartikelfelder beobachtet werden. Der exakte Verlauf und die dabei auftretenden Strukturtypen sind systemabhängig. Als entscheidende Einflussfaktoren zeigen sich das chemische Element, die Schichtdicke und die Bestrahlungsparameter, wie beispielsweise Pulsenergie oder Pulszahl. Dabei wird der Einfluss des Metalls auf den Strukturierungsprozess vor allem durch seine Wechselwirkung mit dem Substrat und durch die Legierungseigenschaften bestimmt. Darauf aufbauend können zwei geschichtete Metall-Dünnfilme in einem einzigen Schritt strukturiert und legiert werden. Um das Spektrum der für die Laserstrukturierung verwendbaren Materialklassen zu erweitern, werden in einer Pionierarbeit mit Hilfe eines Spincoaters Dünnfilme eines metall-organischen MoS2-Präkursors [Mo2S4(S2CNnBu2)2] auf Siliziumwafer mit unterschiedlichen Siliziumdioxid-Schichtdicken aufgetragen. Anders als bei den Metalldünnfilmen verläuft die laserinduzierte Selbstorganisation des Präkursors bei niedrigen Pulszahlen über eine rein thermische Umverteilung, d. h. ohne Materialverlust und unter Erhalt der chemischen Integrität. Durch eine deutliche Erhöhung der Pulsenergie kann der Präkursor während des Strukturierungsprozesses gleichzeitig zu MoS2-Nanokristallen umgewandelt werden. Dieser Umwandlungsprozess verläuft allerdings unter deutlichem Verlust der LIPSS-Qualität. Sowohl die Strukturierung der geschichteten Metallsysteme als auch die des metall-organischen Präkursors verdeutlichen dabei die Anwendbarkeit des Strukturierungsverfahrens auf komplexe Schichtsysteme, bestehend aus verschiedenartigen Materialklassen. Die präsentierten Verfahren eignen sich folglich zur Herstellung verschiedener opto-elektronischer Geräte auf Halbleiterbasis. Als exemplarisches Anwendungsbeispiel laser-strukturierter Oberflächen werden im abschließenden Teil der Arbeit laser-generierte Goldkatalysatoren auf Silizium einem carbothermischen Wachstumsprozess von Zinkoxid- (ZnO) Nanostrukturen unterzogen. Durch die Laserbestrahlung entstehen sowohl passivierte als auch freiliegende Goldpartikel, deren Größe und Dichte einen wesentlichen Einfluss auf das Strukturwachstum haben, welches durch die Lasereinwirkung gezielt kontrolliert werden kann. Die Bestrahlung ermöglicht somit die ortsaufgelöste Steuerung der Morphologie, Dichte, Höhe und Breite der ZnO-Strukturen

Laser-Induced Au Catalyst Generation for Tailored ZnO Nanostructure Growth

ZnO nanostructures, semiconductors with attractive optical properties, are typically grown by thermal chemical vapor deposition for optimal growth control. Their growth is well investigated, but commonly results in the entire substrate being covered with identical ZnO nanostructures. At best a limited, binary growth control is achieved with masks or lithographic processes. We demonstrate nanosecond laser-induced Au catalyst generation on Si(100) wafers, resulting in controlled ZnO nanostructure growth. Scanning electron and atomic force microscopy measurements reveal the laser pulse’s influence on the substrate’s and catalyst’s properties, e.g., nanoparticle size and distribution. The laser-induced formation of a thin SiO2-layer on the catalysts plays a key role in the subsequent ZnO growth mechanism. By tuning the irradiation parameters, the width, density, and morphology of ZnO nanostructures, i.e., nanorods, nanowires, and nanobelts, were controlled. Our method allows for maskless ZnO nanostructure designs locally controlled on Si-wafers