Dissertation_M_Fischer.pdf - OPUS - Universität Augsburg

1 Einleitung 1
1 Einleitung
Diamant weist viele extreme Materialeigenschaften auf und nimmt diesbezüglich eine herausragende
Stellung unter allen Materialien ein. Besonders hervorzuheben sind dabei die höchste Wärmeleitfähigkeit
aller Festkörper bei Raumtemperatur, die höchste mechanische Härte und die breitbandige
optische Transparenz. Darüber hinaus sind durch die sehr hohen Ladungsträgerbeweglichkeiten in
extrem reinen und strukturell perfekten Kristallen ausgezeichnete elektronische Eigenschaften gegeben.
Diese Kombination herausragender Materialparameter macht Diamant für ein breites Feld
von Anwendungen zum ultimativen Material.
Natürlich vorkommende Diamanten entstanden im Erdinneren unter sehr hohen Drücken und
Temperaturen und wurden durch Vulkanismus an die Erdoberfläche bzw. in oberflächennahe Schichten
befördert. Für die künstliche Herstellung von Diamant gibt es prinzipiell zwei unterschiedliche
Ansätze. Bei der Hochdruck-Hochtemperatur-Synthese (High Pressure High Temperature, HPHT),
die in den 1950er-Jahren bei General Electric entwickelt wurde, wird Diamant bei hohem Druck
(50 kbar) und hoher Temperatur (>1400 ◦ C)) synthetisiert. Unter diesen Bedingungen stellt Diamant
die stabile Kohlenstoffmodifikation dar. Die zweite Möglichkeit ist die chemische Gasphasenabscheidung
(Chemical Vapour Deposition, CVD) von Diamant. Hier wird bei Drücken im Bereich
mehrerer 10 mbar und Temperaturen zwischen 500 ◦ C und 1200 ◦ C gearbeitet. Durch das Ausnutzen
von Nichtgleichgewichtsprozessen mit kinetisch kontrollierten Wachstumsbedingungen kann Diamant,
der bei diesen Parametern eine metastabile Phase darstellt, abgeschieden werden.
Durch die letztgenannte CVD gelang es, polykristalline Diamantscheiben mit einem Durchmesser
von bis zu 15 cm und einer Dicke von mehreren Millimetern herzustellen [Fra09]. Dieses polykristalline
Material wird dank seiner großflächigen Verfügbarkeit bereits industriell genutzt. Beispiele
für kommerzielle Produkte sind hier Fenster für Hochleistungslaser, Mikrowellen- und Synchrotronstrahlung,
Schneidwerkzeuge, Wärmespreizer und chirurgische Skalpelle (siehe Abb. 1.1).
Abbildung 1.1 Einsatzfelder von polykristallinem CVD-Diamant: a) Laserfenster für CO 2 -Laser; b) Mikrowellen-
und Terahertzfenster; c) Diamantmesser; d) Wärmespreizer [Dia04]
Bei einkristallinem Material ist die großflächige Verfügbarkeit bislang nicht gegeben. Die strukturell
sehr hochwertigen HPHT-Kristalle sind in ihrer Größe auf ca. 1 cm Kantenlänge begrenzt. Es
gibt allerdings Ansätze, HPHT-Kristalle durch homoepitaktisches Wachstum mittels CVD größer
oder auf aneinandergelegten Einkristallen zu wachsen. Gerade Letzteres scheint ein vielversprechender
Ansatz zu sein [Mok06, Yam10, Yam11, Yam12].
Eine alternative Möglichkeit stellt die Heteroepitaxie von Diamant, also das Wachstum auf einem
Fremdsubstrat, dar. Seit ca. 1990 wurden viele unterschiedliche Materialien als mögliche Substrate
getestet. Jedoch gelang es einzig auf Iridium, das 1996 erstmals als Substrat erfolgreich eingesetzt