Quelle Nummer 125

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GRENZFLAECHENVORGAENGE
HANS SEIFERT
STRUKTURGELENKTE GRENZFLAECHENVORGAENGE IN DER UNBELE
LEBTEN UND BELEBTEN NATUR
BRAUNSCHWEIG 1971, S. 82-89, VIEWEG-VERLAG


001  Das Problem der dünnen Schichten. Das
002  allmähliche Hervortreten immer neuer theoretischer Ansätze zur
003  Kausalerklärung des Phänomens hatte auch nicht den Erfolg einer
004  universellen, einheitlich anerkannten Deutung. Ihre Begründung
005  schienen sie höchstens finden zu können in der Vernachlässigung
006  eines besonderen Faktors durch die bisherige, immer noch
007  vereinfachte Theorie. STRANSKI und KRASTANOW
008  hatten bewußt die beiden Partner der Epitaxie, Wirt
009  substanz und Gastsubstanz, als von gleicher Geometrie der
010  Struktur der Verwachsungsebene behandelt. Diese einer
011  Gittermasche (" misfit ") metrisch zu erfassen versucht,
012  Idealisierung muß als erste fallen gelassen werden. Kein Stoff
013  kann genau die gleiche Struktur wie ein anderer besitzen. Die
014  Erfahrung lehrt, daß in der Natur unsere Matrize ungenau
015  arbeiten kann. Schon der erste Bearbeiter einer Epitaxie auf
016  struktureller Basis hatte daher nur von einer Strukturanalogie
017  gesprochen und die gefundene Abweichung einer Gitterlinie bzw.
018  einer Gittermasche (" misfit ') metrisch zu erfassen versucht,
019  etwa mit (Formel) in Prozenten von (Formel), sei es positiv, sei es negativ.
020  Diese Erfahrungstatsache der sog. Toleranz bedeutet wohl das
021  schwierigste und umstrittenste Problem des ganzen Phänomens, ein
022  zugleich kristallphysiches wie kristallchemisches. Gehen wir zwecks
023  Diskussion unseres Wissens zu einer dynamischen Behandlung über,
024  d. h. zu dem Versuch, die Molekularkinetik der
025  Bildungsvorgänge auf der Grundlage der schon benutzten
026  strukturellen Erkenntnisse etwas tiefer zu analysieren. Der
027  Prozess setzt sich aus einer Reihe von Teilvorgängen zusammen:
028  Eintritt der eventuell aufzuwachsenden Gastsubstanz, als
029  Molekül, als Atome, als anteilige Ionen usw., in das
030  Phasengrenzgebiet (Zustrom durch Diffusion), Fixierung von
031  Partikeln an der Oberfläche des Wirts (Adsorption,
032  Kondensation), je nach den herrschenden Bedingungen der äußeren
033  Parameter Wanderungen längs der Oberfläche bzw. Wechsel der
034  Fixierung an einem Ort des Potentialminimums, Keimbildung, d.h.
035  Zusammenschluß benachbarter Partikel zu einem stabilen,
036  auswachsfähigen (" kritischen ") Keim, unter Umständen
037  neben oder statt auch eine Desorption, Dem Z.eck unseres
038  Hauptgedankengangs gemäß werden wir uns nur mit der Adsorption
039  und Keimbildug, zusätzlich daneben mit den interessanten
040  Möglichkeiten der Oberflächendiffusion und den heute
041  ermöglichten Untersuchungsmethoden und deren Ergebnissen kurz
042  beschäftigen. Es erscheint begründet, vorher über einen
043  naheliegenden bisher bewußt nicht berücksichtigten Teilbereich der
044  Erfahrung gesondert zu berichten. Die erstmalig 1934 von
045  KIRCHNER und Mitarbeitern auf Spaltflächen von NaCl
046  erzeugten drientierten Aufdampfschichten von Metallen
047  oberhalb einer als " Epitaxietemperatur " bezeichneten
048  minimalen hatten viele Zweifel erregt und lange Diskussionen
049  hervorgerufen. Die i achsenparalleler Lage erzeugte Orientierung
050  forderte eine Toleranzweite von 27 %, die unglaubwürdig
051  erschien. Wir kennen diese Temperatur jetzt an sich schon von
052  NEUHAUS' Versuchen zur Frage der " Trägerhärte ".
053  Eine große Unsicherheit war durch diese und weitere Versuche mit
054  z. T. widersprüchlichen experimentellen Feststellungen in
055  die Beurteilung der Epitaxie lange Zeit getragen, da sie die
056  bisher gefundenen Gesetzmäßigkeiten fast aufzuheben schienen und
057  die auf dem Gebiete der mehr den Physiker und Techniker
058  interessierenden dünnen Schichten angetroffen wurden. Bei den
059  fraglichen Auswachsungen handelt es sich im wesentlichen z. *t.
060  um solche von kubischen Salzen auf Glimmerspaltflächen, z.T.
061  von Metallen auf solchen wie auch vor allem auf Spaltflächen
062  der Alkalihalogenide, zusätzlich Aufwachsungen dieser
063  untereinander. Ein besonderes Verdienst um die Förderung dieser
064  Problematik in Deutschland hat die Schule von H.
065  RAETHER Nachdem gerade in den letzten Jahren auf diesem sich
066  steigender Anerkennung erfreuenden Sektor zahlreiche durch
067  Verwendung neuer und verfeinerter Methoden möglich gewordene
068  experimentelle und manches schonetwas übersichtlicher gestaltende
069  Korrekturen erfolgten, braucht im Rahmen unseres Gedankenganges
070  nicht alles explizit hier mehr entwickelt zu werden. Es seien nur
071  verzeichnet die Fehlbeurteilung der früher als "
072  Pseudomorphie ", heute z. T. als " kohärente
073  " Keimbildung bezeichneten Anpassungserscheinungen der Struktur der
074  Gastsubstanz an die des Trägers innerhalb allerdünnster
075  Aufdampfschichten, - sie erschien zunächst durchaus als
076  röntgenographisch belegt -, die gleiche Fehlbeurteilung
077  hinsichtlich über die Maßen ausgeweiteter Toleranzen bei
078  dünnsten Schichten mit fast unspezifischer Orientierbarkeit
079  - Neuhaus hatte sie schon unter " subkristalline
080  " Zustände eingereiht - u. a. mehr. Auf Ergebnisse
081  einiger besonders wichtiger neuester Arbeiten möchte aber zur
082  Klärung doch noch kurz eingegangen sein. Einmal trat dabei,
083  zuerst wohl bei L. SCHULZ das Problem auf, ob
084  monomokulare, quasi keimlose durchgehende " dünne Schichten
085  " auftreten können. Aufgrund der Theorien über die
086  Fremdkeimbildung wie auch nach aller Erfahrung erschien dies wenig
087  wahrscheinlich. Die Ausweitung der Erfahrung, die Zahl immer
088  wieder abgewandelter Präparationsmethoden läßt heute erkennen,
089  daß das unter ganz besonderen Bedingungen - ohne daß dies schon
090  ganz präzis mit allen ihren Parametern festlegbar ist - wohl
091  stattfinden könne. Bei Glimmer als Träger würde man das
092  angesichts der Güte möglicher Spaltflächen in der Tat am
093  ehesten erwarten. Interessante methodische Verbesserungen der
094  jüngsten Zeit erbrachten noch immer scheinbar widerspruchsvolle
095  Ergebnisse. Ino et al. erzeugten Spaltflächen im Vakuum
096  ((Formel)); unmittelbar anschließende Bedampfung erniedrigte sogar
097  noch die untere Grenztemperatur. Aber Arbeiten unter U H V-
098  Bedingungen ergaben sogar keine Epitaxie. HARSDORF
099  untersuchte aufgedampfte Cu-Schichten. Vorherige Einwirkung
100  von (Formel)-Dampf auf die Trägerschicht, die vorher in freier
101  Atmosphäre oder unter Helium oder (Formel)-Dampf erzeugt war,
102  förderte die Epitaxie. Nach MATTHEWS und
103  GRÜNBAUM geben auch im U H V erzeugte, danach aber
104  verschiedenen Gasen ((Formel) unter 1 Atm) und (Formel)-Dampf
105  ausgesetzte Spaltflächen ebenfalls keine Epitaxie. Jedoch gab
106  wiederum vorherige Einwirkung von feuchtem Sauerstoff oder freier
107  Atmosphäre auf die Trägerflächen beim Aufdampfen eine
108  Orientierung. Nach weiteren Versuchen von HARSDORF und
109  RAETHER ließen sich die Epitaxiebedingungen klarer einengen.
110  Je nach Aufdampfgeschwingigkeit und einer kritischen
111  Restgasbedeckung, insbesondere von Wasserdampf nach Erzeugung der
112  Spaltflächen im Vakuum, läßt sich eine Epitaxie bis auf
113  Zimmertemperaturen herunter erzielen. Hierzu muß allerdings
114  kritisch gesagt werden, daß bei den meisten üblichen
115  Epitaxieexperimenten eine solche Adsorptionsschicht, zwar im
116  allgemeinen nicht als Schicht, sondern " lokalisiert ", bei
117  hydrophilen Trägerflächen vielleicht in den meisten Fällen auch
118  sogar " orientiert ", vorhanden ist, indes - wie die Erfahrung
119  doch zeigt - einer konkurrierenden Adsorption und Verdrängung
120  unterliegt, also nicht immer grundsätzlich eine Blockierung be
121  deutet. So konnten wir es verstehen, daß insgesamt H.
122  MAYER sogar die Darstellung dünner Schichten durch
123  Aufdampfen im Hochvakuum dem normalen Verfahren einer Epitaxie
124  -Gewinnung (in der Mineralogie, Erscheinungen des
125  Kristallwachstums aus Lösungen und Schmelzen) scharf gegenüber
126  stellte. Denn es gibt nach ihm folgende grundsätzliche
127  Unterschiede: Unter dem Einfluß von Lösungsmitteln,
128  Lösungsgenossen bez. Elektrolyten überdies in Ionenform,
129  können sich im Augenblick des primären Elementarvorgangs durchaus
130  die Abscheidungsbedingungen verändern, im anderen Fall geschieht
131  die Bildung in reiner Form. Die Abscheidung erfolgt fast
132  immer in Nähe des Phasengleichgewichts, Keimbildung und
133  Keimbildungsarbeit sind entscheidend, beim Aufdampfen erfolgt die
134  Bildung fern vom Gleichgewicht. In diesem Sinne warnte der
135  Autor sehr vor unvorsichtigen Vergleichen, vor unerlaubten
136  Schlußfolgerungen und Verallgemeinerungen. Das entspricht
137  durchaus der einsichtigen Art, in der A. NEUHAUS vor
138  etwa 1 1 (math.Op.) 2 Jahrzenten in seinem Bericht diese dünnen
139  Schichten in anbetracht ihrer ungewöhnlichen Eigenschaften, der
140  stark erhöhten transversalen Beweglichkeit und der durch die hohen
141  Toleranzdaten angezeigten bis " fast unspezifischen
142  Orientierbarkeit " durch den Träger ihre mehr erzwungene als
143  autonomen Ordnungszustände als " subkristalline Zustände
144  " eingestuft hat. So sind beispielsweise in den letzten Jahren
145  unter Beachtung aller bisher z. T. unberücksichtigter
146  Faktoren und unter Benutzung modernster Forschungsmittel eine
147  Reihe ausgezeichneter, differenzierterer und klarer Untersuchungs
148  ergebnisse erzielt worden. LANDER und Mitarbeiter und andere
149  berichteten über die ersten Stadien der Schichtbildung bei
150  Metallaufdampfung der Metalle Al, Un, Pb,Sn,Cs, auf Si
151  (111) - Einkristalloberflächen. Die Arbeitsbedingungen sind
152  gekennzeichnet durch das UHV (besser als (Formel) Torr) und Anwendung
153  des LEED-Verfahrens, aufmerksamste Beobachtung der
154  Aufdampfgeschwindigkeit und ihrer Beziehung zur Trägertemperatur
155  möglichst weiter Bereiche aller Parameter. Bis zu Bedeckungen
156  von etwa einer Atomlage - je nach Trägertemperatur - wurden
157  gut geordnete Adsorptionsschichten erhalten, bei Al und Pb noch
158  Keimbildung und epitaktisches Auswachsen. H. MAYER und R.
159  NIEDERMAYER und K. SPIEGEL erweiterten die
160  Untersuchungen auf die Aufdampfung von Silber auf Silicium - es
161  handelt sich um eine reine, durch Glühen im UHV bei 1000^ C
162  reproduzierbar erzeugbare (111)-Fläche, des Charakters einer
163  (111)-7-Struktur - bei genauer einhaltbarer Aufdampfrate
164  zwischen Zimmertemperatur und Schmelz temperatur des Si
165  (1420^ C). Erst oberhalb etwa 200^ C erhielt man ebene
166  geordnete Adsorptionsschichten, als Si- (Formel) Ag-Struktur.
167  Weiteres Wachstum geschah auch hier nur über dreidimensionale
168  Keimbildung, die Orientierung als Ag (111) (math.Op.) Si (111) ist
169  bermerkenswerterweise unabhängig davon, ob die erste Schicht
170  geordnet oder ungeordnet ist und soll nur Funktion der
171  Trägertemperatur und der Aufdampfrate sein. Eine Anpassung von
172  Wirtgitter und Gastgitter konnte auch bei dünnsten
173  Schichten nicht beobachtet werden! In dieser Richtung arbeitete
174  H. BETHGE weiter mittels einer besonderen
175  Experimentiertechnik zur gleichzeitigen Erfassung der
176  Oberflächenstruktur von NaCl und Aufdamprschicht unter
177  vornehmlicher Benutzung der Eletronenmiskropie. Die
178  Beobachtungen erstreckten sich auf die Rekristalisation unter
179  Vakuum und Wasserdampfeinwirkung, Erzeugung von " Anlösungs
180  -Wachstums-Struktur " u. a.., mit Hilfe des
181  Metalldekorationsverfahrens (Au) nach BASSET, Erzeugung
182  von Ag-Aufdampfschichten und elektronenmikroskropischer
183  Verfolgung ihrer Entwicklung (unter (Formel) Torr) sowie mittels
184  Elektronenbeugung. Zusammenfassend entstehen " geschlossene
185  Aufdampfschichten ", deren drei Stadien gesichert werden als
186  Keimkrisställchen (Formel) einige 10 , " Inselbildung " als
187  flache ausgebildete Kristalle mit Zwischenräumen, Bildung der
188  geschlossenen Schicht durch Zusammenwachsen. Im Wesentlichen
189  wurde dabei keine Epitaxie beobachtet, sie trat erst bei stärkerer
190  Wasserdampfeinwirkung auf. So wird als vorläufiger Standpunkt
191  die Annahme einer hydratartigen Oberflächenschicht vertreten, "
192  die durch eingebaute (Formel)-Moleküle eine in ihren
193  Gitterparametern veränderte Struktur aufweist ". Die Struktur
194  dieser Oberflächenschicht ist freilich durch die Anwendung anderer
195  Untersuchungen aufzuklären. Die " Epitaxietemperatur " blieb
196  hierbei unklar. Wieso bei im Normalvakuum ((Formel) bis (Formel) Torr)
197  erzeugten Oberflächen bei einer " kirtischen Bedeckung " eine
198  gute Epitaxie mit Erniedrigung der Temperatur - also unter
199  Bedingungen einer ganz anderen Ursache - erfolgt, bleibt
200  ebenfalls noch ungeklärt. Insgesamt zeigte sich, um abschließend
201  E. BAUER nach seinem Bericht das Wort zu geben, daß das
202  ausgeweitete Studium gerade des Filmwachstums im UHV, verbunden
203  mit verbesserter Technik reiner Oberflächen bereits dazu geführt
204  hat, die Vorstellungen über das Wachstum dünner Filme erheblich
205  zu revidieren. Dazu haben beigesteuert die Anwendungen
206  verbesserter Arbeitsverfahren wie die in situ-
207  Elektronenmikroskopie, LEED, ja sogar die Massenspektrometrie.
208  Es zeigte sich, daß die primär gebildeten Keime in sehr
209  wechselvoller und anders als früher vorgestellter Weise, bedingt
210  durch eine Reihe früher kaum beachteter Faktoren, auswachsen.
211  Das besonders überraschende Phänomen - was dem
212  Kristallographen eigentlich ganz natürlich vorkommt - wenigstens
213  für metallische Schichten war die " Koaleszenz ".
214  Viele der Orientierungen, früher der initialen Keimbildung
215  zugeschrieben, werden nun als von der Koaleszenz verursacht
216  angesehen. Etliche mögen auch " identisch " sein mit der
217  Keimorientierung wie z. B. flächenzentriet - kubische
218  Metalle auf (Formel) oder Glimmer, andere davon verschieden wie bei Au
219  auf reinem Na Cl. Und es scheint so zu sein, daß gerade eine
220  geeignete Vorbehandlung des Trägers oder Verdampfung von
221  Residualgasen eine Orientierung der Koaleszenz, anders als die
222  der primären Keime erzwingt. Es zeigt sich also, daß zur
223  völligen Klärung noch sehr viel gearbeitet werden muß. Es
224  scheint auch so zu sein, das eine ganz klare Scheidung beider
225  Erscheinungsgruppen im vorhin erläuterten Sinne vom H.
226  MAYER experimentell noch nicht durchführbar ist. Es
227  scheint Übergangstypen zu geben; wann und wodurch, ist noch
228  nicht klar zu formulieren. Molekularkinetische
229  Überlegungen. Es mag für die beabsichtigte kurze Aussprache
230  nunmehr zweckmäßig sein, uns der den Einzelbausteinen von
231  Träger und Gast innewohnenden Eigenschaften bezüglich ihrer
232  Wirksamkeit kurz zu erinnern. Die einleitend kurz besprochene
233  Kristallchemie, von den elementaren Bausteinen, den Elementen
234  des P. S. ausgehend, hat der Erfahrung entlehnt, daß es
235  gilt zusammenzufassen die Größe (vorher schon als Wirkungsradius
236  bezeichnet und in erster Näherung als starre inkompressible Kugel
237  zunächst vorgestellt), Ladung und Polarisationseigenschaften.
238  Zur Ladung: Ein Atom kann neutral sein, es kann ionisiert sein,
239  (math.Op.) oder (math.Op.); die Polarisierbarkeit bedingt eine
240  Deformierbarkeit auf grund einer Wechselwirkung mit anderen
241  Bausteinen, der Baustein ist dann zu einem Dipol entartet.
242  Bausteine, die aus mehreren elementaren Bausteinen durch
243  Wechselwirkungskräfte zu einer " Baueinheit
244  " zusammengeschweißt sind, haben wir schon kennengelernt, z.B.
245  im (Formel); ihre kristallchemische Behandlung ist komplizierter.
246  Ladungsmäßig und auch in anderer Hinsicht ist sie hier indes wie
247  jede andere Einheit zu behandeln. Von dem atomaren oder
248  kristallchemischen Charakter wird das Verhalten eines Bausteins
249  des Außenmedium im " Potentialfeld des Trägers
250  abhängen. Für eine NaCl-Würfelfläche beispielsweise sei
251  angegeben das Potentialminimum, der Ruheort des " Adatoms ",
252  nach älteren Berechnungen: a) für ein neutrales Argon-
253  Atom bezeichnet das Bild 57 mit x diese Örter, b) für ein
254  ihm nahe gleich großes, geladenes Kaliumatom (als Ion (Formel)) ist
255  der Platz unmittelbar über dem elektronegativen (Formel), was man
256  begreiflicherweise unwillkürlich als einen Fortbau des
257  Trägergitters empfinden wird, schließlich c) ein Al-Atom
258  hat seine Minima wiederum an den gleichen Stellen wie das Argon.
259  Das Verhalten eines Dipols, als ein adsorbiertes Ion oder
260  Molekül vorgestellt, ist charakterisiert in Bild 58. Allgemein
261  ausgedrückt, wird ein solches Molekül, sofern es eine leicht
262  zugängliche polare Gruppe besitzt, mit dieser der Oberfläche
263  zugekehrt sein, wenigstens bei Ionengittern,
264  Metallgittern und Halbleitern. Der im Metall usw. induzierten
265  Spiegeldipol in energetische Wechselwirkung. Die Adsorption der
266  kleinräumigen Wasserdipole mit großem Dipolmoment, als Beispiel
267  an einer Spaltfläche von Flußspat, kann man sich sich
268  schematisch nach de Boer wie in Bild 59 vorstellen. Auf allen
269  Oberflächen werden nach der von Langmuir entwickelten Vorstellung
270  fast alle einfallenden Atome, selbst bei über dem normalen
271  Kondensationspunkt liegenden Temperaturen, zuerst haften bleiben,
272  um erst je nach längerer oder kürzerer Zeit wieder zu verdampfen.
273  Der klaren und übersichtlichen physikalischen Darstellung H.
274  MAYERS folgend, stellen wir für unsere Zwecke die
275  wesentlichen Momente kurz zusammen. Den Überblick über den
276  " Zusammenstoß " eines Teilchens mit der Trägeroberfläche
277  ermittelt das bekannte Schema des Potentialdiagrammes, in dem nach
278  vielen Erfahrungen, experimentellen wie theoretischen, die
279  Energie zwischen dem sich nähernden Atom und einem
280  Oberflächenatom proportional (Formel), die der abst0ßenden Kräfte
281  proportional (Formel) angesetzt ist, wo r die Entfernung und a eine
282  Konstante. Die Energetischen Austauschvorgänge gestalten sich
283  an der Oberfläche nun je nach den Bindungskräften der Partner.
284  Man beachte dabei, daß die nachfolgende Darstellung
285  grundsätzlich abweicht von dem von Stranski gewählten Ansatz für
286  die idealisierte Theorie der epitaktischen Keimbildung. Alle
287  besprochenen Teilvorgänge der gesamten Dynamik im
288  Phasengrenzgebiet erfassen von Anfang an die Adatome der ersten
289  Schicht in ihrer Wechselwirkung mit den Teilchen der
290  Trägeroberfläche.

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