Probenpräparation

NaCl(100).

Die in dieser Arbeit verwendeten NaCl-Einkristalle wurden von der Firma Korth bezogen.

Nach Herstellerangaben weist das Rohmaterial NaCl Merck Suprapur einen Reinheitsgehalt von > 99,5 % auf; kationische Verunreinigungen sind vor allem K, Cs und Ba, anionische Br, J und SO₄. Von dem Mutterkristall wurde ein Probenkristall der Größe 20×20×10 mm³ durch Spaltung an Luft erhalten und in den Probenhalter des Rezipienten 1 eingebaut. Während des Ausheizens des Rezipienten wurde der Kristall auf eine Temperatur von etwa 150 °C erwärmt. Vor der ersten Messung wurde der Kristall schließlich auf ca. 80 K eingekühlt und mit der in Abb. 2.5.1 gezeigten Spaltapparatur beidseitig bei einem Basisdruck von < 2⋅10^-10 mbar gespalten. Zwischen den Experimenten wurde der Kristall jeweils für mindestens 12 Stunden bei einer Temperatur von 100 - 150 °C getempert.

Im Gegensatz zum Rezipienten 1 war es in den Rezipienten 2 und 3 nicht möglich, Kristalle in situ unter UHV-Bedingungen zu spalten. Die Probenkristalle wurden hier durch Spaltung unter trockener Stickstoffatmosphäre präpariert, in den Probenhalter eingebaut und unter Vakuum gebracht, was längstens etwa 15 min in Anspruch nahm (ein Basisdruck von < 1⋅10^-6 mbar wurde etwa eine halbe Stunde nach Kristalleinbau erreicht). Die Probenkristalle wurden dann wie auch zwischen den Meßserien bei einer Temperatur von 150 - 200 °C ausgeheizt.

IR-Absorptionsmessungen mit CO₂ als Testgas zeigen bei Monolagenbedeckung gegenüber den UHV-Spaltflächen vergrößerte Halbwertsbreiten der Banden, was auf eine schlechtere Oberflächenqualität (höhere Defektdichte) der ex situ gespaltenen Proben zurückzuführen ist.

Eine Übersicht zum Einfluß des Wasserdampfes auf die Oberflächenmorphologie bei den ver-schiedenen Arten der Probenpräparationen findet sich bei Weiß [79] (siehe auch Kap. 3.3.).

Si(111).

Die in dieser Arbeit verwendeten Si-Proben wurden freundlicherweise von Herrn Priv.-Doz.

Dr. M. Horn-von-Hoegen (Institut für Festkörperphysik, Universität Hannover) zur Verfügung gestellt. Die Si-Wafer der Dicke 0,5 und 0,3 mm wurden von der Firma Virginia

2. Untersuchungsmethoden und experimenteller Aufbau 38

Semiconductor bezogen, waren einseitig poliert und wiesen eine {111}-Orientierung und eine Fehlneigung von ± 0,5° bzw. ± 3,0° auf, wobei der stärker fehlgeneigte Kristall p-dotiert war (B, 5,6 - 10,4 Ω⋅cm). Aus dem Mutterkristall wurden nach Anritzen mit Hilfe eines Diamanten Probenstücke der Größe 40×6 mm² herausgebrochen. Diese wurden schließlich in den in Abb. 2.5.3 gezeigten Probenhalter eingebaut.

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Abb. 2.5.3: Schematische Zeichnung des Probenhalter für Siliziumstücke (Realgröße).

Der Halter für Si-Probenstücke wurde speziell für Untersuchungen des Systems HN₃-Si(111) konzipiert und angefertigt; er ist für Temperaturen von 80 K bis zu 1600 K ausgelegt, so daß sowohl die thermische Säuberung der Si(111)-Fläche als auch die Präparation eines Adsorbats bei niedrigen Temperaturen möglich war. Herzstück des Probehalters ist eine Saphirplatte der Größe 46×25×2 mm³ (3), welche die drei in der institutseigenen Feinmechanikwerkstatt hergestellten OFHC-Kupferelemente miteinander verbindet, aber elektrisch voneinander isoliert (siehe Abb. 2.5.3); darüberhinaus kommt dem verwendeten Material die gewünschte physikalische Eigenschaft zu, bei niedrigen Temperaturen eine gute und bei hohen eine schlechte Wärmeleitfähigkeit zu besitzen. Die beiden gewinkelten Kupfersteher sind über durch Keramikröhrchen elektrisch isolierte M3-Edelstahlschrauben (6) mit dem Hauptelement (1) verbunden. Zwischen jeweils an den Kupferstehern montierte Mo-Klammern (4) werden

2.5. Experimenteller Aufbau 39 die Si-Probenstücke eingespannt; an der Unterseite der gewinkelten Elemente können Stromzuführungen (Cu-Litzen, ∅ ≈ 2 mm²) befestigt werden (5). An der Rückseite des Hauptelementes befinden sich Vorrichtungen zum Anklemmen von Thermoelementen (Keramikplättchen, 7) und zum Anbringen einer Wolframwendel, welche als Probenheizung fungiert (Cu-Quader mit Keramikröhrchen, 2). Der gesamte Probenhalter wird über eine planpolierte Fläche an den Kaltkopf des Kryostaten angeschraubt.

Trenntrafo

150 W Ausgang Eingang Netzteil

100 V 5 A 0.8 A tr

U U1 X Y V1 V

Schaltschema des Zündkastens 220 V Vorspannung zur Zündung mit nachfolgender Hochstromheizung

Abb. 2.5.4: Schematische Darstellung des "Zündkastens" und der Verschaltung zweier Netzgeräte zur thermischen Säuberung der Si-Probe.

Die thermische Säuberung ("Flashen") der Si-Proben gelingt mittels des in Abb. 2.5.4 dargestellten Aufbaus. Mit Hilfe des "Zündkastens" (Flashbox) werden über UHV-Strom-durchführungen (Cu-Leitungen vom Ausgang des Zündkastens über die Stromdurchführung in den Rezipienten zum Probenhalter) an die Probe 220 V Gleichspannung bei etwa 0,7 A angelegt. Aufgrund des elektrischen Widerstands der Probe erwärmt sich diese auf T > 300

2. Untersuchungsmethoden und experimenteller Aufbau 40

°C; man gelangt in den Bereich der Eigenleitung des Siliziums, das mit weiterer Erhöhung der Temperatur eine Verringerung des spezifischen Widerstandes aufweist [97]. Über zwei als Diode geschaltete Gleichrichter werden zwei Netzgeräte (100 V / 5 A und 20 V / 10 A) verschaltet und an die Flashbox angeschlossen. Auf diese Weise können die für höhere Temperaturen benötigten größeren Ströme an die Probe angelegt werden. Die Probe wird anschließend bei 700 bis 800 °C im UHV für 12 bis 24 h ausgeheizt (0,6 bis 1,0 A). Nach Erwärmen der Probe auf 800 bis 900 °C (bis zu 1,5 A) für etwa 2 h wird durch schnelles Hochdrehen des Stromes auf 14 A die Probe für weniger als 10 s auf bis zu 1350 °C erhitzt.

Dabei steigt der Druck von < 1⋅10^-9 mbar bis in den mittleren 10^-8 mbar-Bereich.

Anschließend erfolgt für kurze Zeit (wenige Minuten) die Temperung der Probe bei ca.

800 °C. Der eigentliche Flashvorgang wird ggf. wiederholt, bis im XPS keine Kontamination der Oberfläche mehr durch C und O bzw. im LEED die 7×7-Rekonstruktion zu sehen ist (siehe hierzu auch Kap. 3.4.).

Die Ermittlung hoher Temperaturen gelingt über die Bestimmung des Probenwiderstandes aus den Volt- und Ampere-Anzeigen der Netzgeräte unter Berücksichtigung der Größe des eingebauten Si-Stückes; dazu ist eine in der Literatur beschriebene, für den Bereich der Eigenleitung gültige Formel des spezifischen Widerstandes als Funktion der Temperatur herangezogen worden [97]. Die Genauigkeit der auf diese Weise ermittelten Proben-temperatur beträgt etwa ± 30 K.

3.1. Stickstoffwasserstoffsäure HN3 41