Niederdimensionale Strukturen ≙ Physik der Nanostrukturen ...
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1. Motivation für die Charakterisierung vonnie<strong>der</strong>dimensionalen <strong>Strukturen</strong> <strong>Physik</strong>alische Eigenschaften nie<strong>der</strong>dimensionaler <strong>Strukturen</strong> Mechanische Anwendungen hohe Härten chemische Beständigkeit Elektronische Anwendung elektr. Wi<strong>der</strong>stand variabelaufgrund <strong>der</strong> chem.Zusammensetzung Gap-Breite variabel Laser Festkörperdetektoren Transistoren Magnetische Anwendung magnetische Anisotropie Giant Magnetoresistance magnetische Sensoren Leseköpfe für Festplatten magnetische Ventile Optische Anwendungen variabler Brechungsindex KERR Effekt (KERR Rotation)2
1. Motivation für die Charakterisierung vonnie<strong>der</strong>dimensionalen <strong>Strukturen</strong> Halbleitermaterialien für elektronische SchichtenIII-V HGStöchiometrie1:1muss immererfüllt seinIV HG3
1. Motivation für die Charakterisierung vonnie<strong>der</strong>dimensionalen <strong>Strukturen</strong>Zusammenhang zwischen Kristallstruktur und MaterialeigenschaftenKristallstrukturKristallsymmetrieGitterparameteratomare Abständelokale Symmetrie(Punktgruppen)EnergiebandSymmetrie <strong>der</strong>physikalischenEigenschaftenelektronischeEigenschaftenKristallstruktur bestimmt die physikalischen Eigenschaften4
1. Motivation für die Charakterisierung vonnie<strong>der</strong>dimensionalen <strong>Strukturen</strong>Zusammenhang zwischen Kristallstruktur und MaterialeigenschaftenRealstrukturchem.InhomogenitätEigenspannung Kristallitgröße Vorzugsorientierung StrukturdefekteÄn<strong>der</strong>ung desGitterparametersund Än<strong>der</strong>ung <strong>der</strong>ElektronenanzahlanisotropeÄn<strong>der</strong>ung desGitterparametersEinfluss <strong>der</strong>Korngrenzen (lokalerGrenzflächen)Verstärkung vonKristallanisotropieStreuzentren fürElektronenSymmetrie <strong>der</strong>physikalischenEigenschaftenÄn<strong>der</strong>ung imBän<strong>der</strong>schemaErzeugungzusätzlicherStreuzentren fürElektronenMittelung <strong>der</strong> phys.EigenschaftenÄn<strong>der</strong>ung imBän<strong>der</strong>schemaRealstruktur bestimmt die physikalischen Eigenschaften5
1. Motivation für die Charakterisierung vonnie<strong>der</strong>dimensionalen <strong>Strukturen</strong>Beispiele für den Zusammenhang von Kristallstruktur und MaterialeigenschaftenBa x Sr 1-x TiO 3 – MOCVD SchichtenDielektrisches Materials für permanent Speicher(non-votail memories)‚ Anfor<strong>der</strong>ungen an das Material: niedrige Eigenfrequenz für hoheLesegeschwindigkeit kleine Dämpfung hohe dielektrische KonstanteProbleme für dünne Schichten: hohe Eigenfrequenz starke Dämpfung niedrige dielektrische Konstante[Ref] T. Ostapchuk, et al.; Phys.Rev.B 66 (2002) 235406. Bestimmung des Zusammenhangs zwischenMaterialeigenschaften und <strong>der</strong> realen Struktur<strong>der</strong> Schichten6
1. Motivation für die Charakterisierung vonnie<strong>der</strong>dimensionalen <strong>Strukturen</strong>Beispiele für den Zusammenhang von Kristallstruktur und MaterialeigenschaftenUN – PVD SchichtenSystem mit 5f ElektronenUN Einkristalle: Antiferromagnetisch bei geringenTemperaturen (
1. Motivation für die Charakterisierung vonnie<strong>der</strong>dimensionalen <strong>Strukturen</strong>Beispiele für den Zusammenhang von Kristallstruktur und Materialeigenschaften40Effect of chemical compositionHartstoffschichtenÜbergangsnitride40Effect of crystallite sizeCr 1-xAl xNHardness (GPa)30Cr 1-xAl xN2040Ti 1-x Al x N3020w + fcc fcc + w fcc4030Zr 1-xAl xN200.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0[M]/([M]+[Al])(TM,Al)N + AlN nanocompositesHärte: Al Anteil beeinflusstHärte Phasenanteil w-AlNEinfluss auf Härte in(Ti,Al)NKristallitgröße: Hall-PetchBeziehung Härteabnahmeunterhalb kritischerKristallitgrößeHardness (GPa)302040Ti 1-x Al x N302040Zr 1-xAl xN30200 2 4 6 8 10 12Crystallite size (nm)Hall-Petch relationship[Ref] D. Rafaja, et al.; Surf.Coat.Technol. 203 (2008) 572.8
1. Motivation für die Charakterisierung vonnie<strong>der</strong>dimensionalen <strong>Strukturen</strong> Zusammenhang von Kristallstruktur und MaterialeigenschaftenEinkristalle besitzen oft bessere und besser definierteEigenschaften im Vergleich zu polykristallinen Materialien… aber nicht immer!9
1. Motivation für die Charakterisierung vonnie<strong>der</strong>dimensionalen <strong>Strukturen</strong> Parameter idealerKristallstrukturen chemischeZusammensetzung Raumgruppe Gitterparameter Bruchkoordinaten Okkupanz Parameter realerKristallstrukturen räumliche Verteilung <strong>der</strong>chemischenZusammensetzung spannungsfreierGitterparameter Eigenspannungen 1. Art Kristallitgröße Vorzugsorientierung Typ, Dichte und Verteilungvon Strukturdefekten(Punktdefekte,Liniendefekte, 2D-Defekte,Ausscheidungen)10
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