Wachstum und Struktur

Abb. 5.19 zeigt RHEED-Bilder, die während des Wachstums von CoPt₃ bei einer Sub-strattemperatur von 300°C als Funktion der Bedeckung aufgenommen wurden. Bei einer Bedeckung von 1 Å CoPt₃ erkennt man in den RHEED-Bildern die Überlagerung zweier Beugungsbilder, ein Strichreflex- und ein Punktreflexmuster. Ersteres ist der nur teilweise bedeckten atomar glatten WSe₂(0001) Oberfläche zuzuordnen, während das Punktreflex-muster einen dreidimensionalen Charakter aufweist und somit eindeutig dreidimensionales Inselwachstum zeigt. Aufgrund der Reflexpositionen findet man einkristallines Wachstum von CoPt₃ Nanostrukturen in (111)-Orientierung. Sehr gut zu erkennen ist die Separation der Substrat-Strichreflexe (Se-Se Abstand: 3,28 Å) von den Punktreflexen der CoPt₃ Nanostrukturen (nächster Nachbarabstand in der (111)-Ebene: 2,72 Å). Dieser spiegelt exakt die Gitterfehlanpassung von 17 % wieder. Die Nanostrukturen wachsen somit mit ihrem Volumengitterparameter und mit folgender Orientierungsbeziehung zum Substrat auf:

WSe₂(112-0) || CoPt₃(101-) und WSe₂(101-0) || CoPt₃(112-).

17%

WSe -Beu-gungsreflex² CoPt -Beu-gungsreflex³

Abb. 5.19: RHEED-Bilder aufgenommen während des Wachstums von CoPt₃ auf WSe2(0001) bei 300°C. (a) nach einer Bedeckung von 1 Å und (b) 30 Å CoPt₃. Man sieht deutlich die Gitterfehlanpassung von 17%.

Bei einer Bedeckung von 30 Å (Abb. 5.19 b) sieht man ein sehr ausgeprägtes Beugungs-bild mit Punktreflexen. Zusätzlich treten Zwischenreflexe deutlich in beiden Azimuten zum Vorschein. Diese sind eindeutig auf die Bildung einer langreichweitig geordneten chemischen Phase (L1₂-Typ) zurückzuführen, wie man sie auch in epitaktischen CoPt₃ Filmen findet (siehe Kapitel 5.2). Die relativ große Gitterfehlanpassung von 17 % hat wohl keinen Einfluss auf die Ordnungskinetik, da die CoPt₃-Nanostrukturen schon bei einer Bedeckung von 1 Å mit ihrem Volumengitterparameter aufwachsen. Die Verspannung der Filme hat ebenfalls keinen Einfluss, da sie sehr klein ist (siehe Kapitel 5.2.1).

0

Anzahl der Inseln pro (150 nm)2

0 1.6 3.2 4.8 6.4 8.0

Abb. 5.20: STM Bilder (links) und dazugehörige Verteilung des Inseldurchmes-sers (rechts) für 0,3 Å CoPt₃ aufgedampft bei (a) Raumtemperatur und (b) 300°C. Der mittlere Inseldurchmesser d und die Standardabwei-chung σ ist angegeben.

Die Morphologie und Inselverteilungen der Nanostrukturen wurden mit UHV-STM untersucht. Abb. 5.20 zeigt zwei typische Inselverteilungen für unterschiedliche Substrat-temperaturen: Raumtemperatur und 300°C, jedoch für jeweils dieselbe Bedeckung von 0,3 Å CoPt₃. Man erhält durch Abzählen der Inseln eine Inseldichte von 0,082/nm² bzw. 0,014/nm² für eine Aufdampftemperatur von Raumtemperatur bzw. 300°C. Der mittlere Inseldurch-messer steigt von 2,9 auf 4,4 nm bei Erhöhung der Aufdampftemperatur von Raumtemperatur

auf 300°C, die dazugehörigen mittleren Inselhöhen steigen dabei ebenfalls von 0,9 auf 1,2 nm. Die Inseln sind alle gleichmäßig aber zufällig über das Substrat verteilt, es ist keine Korrelation zwischen den Abständen der Inseln zu sehen. Man erhält eine schmale gaußförmige Inselgrößenverteilung. Es wurde mit Gl. 2.4 unter der Annahme eines Trimers als kritischen Keim (i = 3) eine Diffusionsenergie von 0,16 eV für CoPt₃ auf WSe₂ bestimmt.

Dieser Wert steht in guter Übereinstimmung mit Co auf WSe₂ mit 0,13 eV [Läm00] und mit Pt auf Pt(111) mit 0,26 eV [Bo96]. Der Wert für die Bindungsenergie variiert nur sehr gering mit i. Es wurde ein Trimer als kritischer Keim angenommen, da die Nanostrukturen aus der CoPt₃-Legierung bestehen, d.h. drei Pt-Atome und ein Co-Atom die kleinste Einheit der Legierung darstellt.

Für die Bestimmung der Diffusionsenergie wird von idealen Bedingungen der Substrat-oberfläche ausgegangen, d.h. keinerlei Defekte in der SubstratSubstrat-oberfläche. Mögliche Defekte des Schichtgitterhalbleiters wären z.B. Dotierstellen in den oberen Se-W-Se Schichten [Mat98]. Es wurde in [Mü00] gezeigt, dass ein WSe₂-Kristall eine Dotierstellendichte von 15000/µm² haben kann, wobei dieser Wert je nach Herstellungscharge der Schichtgitter-halbleiter variiert. Es zeigte sich für die in dieser Arbeit verwendeten Substrate anhand atomar aufgelösten Tunnelmikroskopbilder der WSe₂-Oberfläche, dass die Dotierstellendichte geringer als in [Mü00] ist. Die Dotierstellendichte insgesamt liegt weit unterhalb der Inseldichte der bei Raumtemperatur aufgedampften Probe, d.h. die Anzahl der Inseln, die an einer Dotierstelle nukleiert sind, ist ebenfalls gering. Bei der Probe, die bei 300°C hergestellt wurde, spielt die Dotierdichte aufgrund der höheren Aufdampftemperatur eine noch kleinere Rolle.

Die Gl. 2.4 berücksichtigt ebenfalls nicht, dass eine Nanostruktur aus einer Legierung bestehen kann, folglich auch der kritische Keim in diesem Fall aus Co- und Pt-Atomen. Der Wert für die Diffusionsenergie von CoPt₃(111) auf WSe₂(0001) ist also als Versuch einer Abschätzung anzusehen.

Ein hoch-aufgelöstes STM-Bild ist in Abb. 5.21 dargestellt. Es zeigt eine einzelne CoPt₃(111) Nanostruktur. Die hexagonale Struktur der isolierten Nanostrukturen ist deutlich zu erkennen. Durch RHEED-Beugungsbilder und STM-Profilmessungen konnte verifiziert werden, dass alle Nanostrukturen gegenüber der Substratoberfläche gleich ausgerichtet sind und dass sie zwei unterschiedliche Facetten, {111} und {100} haben. Als Gleichgewichtsform der Inseln erhält man aus einer Wulff-Konstruktion {111}- und {100}-Facetten für die Seitenflächen des Sechsecks und eine {111}-Facette als Oberfläche der sechseckigen Nanostruktur, welche durch das Experiment sehr gut bestätigt werden.

Die Wulff-Konstruktion [Wu01] bestimmt die Gleichgewichtsstruktur der Inseln, indem die totale Oberflächenenergie der Inseln minimiert wird. Kristallfacetten mit einer hohen Oberflächenenergie wachsen schneller als Kristallfacetten mit einer geringeren Oberflächeenergie, deshalb verschwinden sie auch schneller während des Kristallwachstums.

Es bleiben deshalb immer nur die am langsamsten wachsenden Kristallfacetten, deren Ober-flächenenergie die kleinste ist, übrig.

Eine Wulff-Konstruktion, die für makroskopische Kristallite hergeleitet wurde [Wu01], kann im Allgemeinen nicht komplett auf Kristalle im Nanometerbereich übertragen werden [Ma85]. In unserem Fall gelten aber die Überlegungen von Wulff. Die Inselform, die in Abb. 5.21 zu sehen ist, ist weit entfernt von einer sphärischen Form. Diese wird aber in [Ma85] als eine mögliche Korrektur der Inselform vorgeschlagen.

54,7°

70,5°

72° 51°

Abb. 5.21: STM-Bild einer CoPt3(111) Nanostruktur aufgedampft bei 300°C auf WSe2(0001) mit zugehörendem Höhenprofil und Modell der Wulff-Konstruktion, das zu einer möglichen Nanostrukturgeometrie mit {111} und {100} Facetten führt.

Ein Höhenprofil, das entlang der blauen Linie aufgenommen wurde, zeigt zwei verschiedene Winkel zur Substratoberfläche, die sehr gut mit der Wulff-Konstruktion über-einstimmen. Es können auch Inseln mit einer dreieckigen Grundfläche vor allem bei höheren Bedeckungen beobachtet werden (siehe Abb. 5.4). Diese Dreiecke gehen aus Sechsecken hervor, bei denen jede zweite Facette auf Kosten der anderen Facetten angewachsen ist.

In Tab. 5.4 ist eine Zusammenfassung der Inseldichte, der mittleren Inselhöhe, des mittleren Inseldurchmessers, des Aspektverhältnisses, der Standardabweichung der gauß-förmigen Inseldurchmesserverteilung und des daraus bestimmten Volumens bzw. Atome pro Insel für verschiedene CoPt₃ Bedeckungen angegeben. Für die Inselvolumenberechnung wurde der mittlere Durchmesser als Durchmesser eines Sechseckes angenommen.

Die Werte für Höhe und Durchmesser sind, da sie mit einem STM bestimmt wurden, mit einer gewissen Unsicherheit behaftet. Bei solch kleinen Strukturen kommt es immer zu einer Faltung der Inselform mit der Spitzenform. Dies führt zu einer gewissen Unsicherheit im Durchmesser der Inseln. Der tatsächliche Durchmesser der Inseln ist i.a. kleiner. Die Höhe der Inseln kann mittels STM dagegen gut bestimmt werden, solange es sich um isolierte Inseln handelt.

Es fällt bei näherer Betrachtung der Probe, die bei 300°C aufgedampft wurde und eine nominelle Dicke von 0,1 Å hat auf, dass das Aspektverhältnis (h-/d-) weniger als halb so groß ist, als für die anderen Proben, die bei 300°C hergestellt wurden. Dies deutet darauf hin, dass die Inseln bei dieser niedrigen Bedeckung in lateraler Ausdehnung schneller wachsen und erst ab einem bestimmten Durchmesser die Inselhöhe zunimmt.

Probe Tab. 5.4: Zusammenfassung der Inseldichte, des mittleren Inseldurchmessers,

der mittleren Höhe, des Aspektverhältnisses, der Halbwertsbreite der an die Größenverteilung angepassten Gaußkurve und der Anzahl der Atome pro mittleren Volumens für unterschiedliche CoPt₃ – Be-deckungen und verschiedene Aufdampftemperaturen (Dampfraten:

0,043 Å/s für Pt und 0,01 Å/s für Co).

Als Zusammenfassung aus Tab. 5.4 sieht man deutlich, das sich die Größenverteilung der Inseln über die Aufdampfmenge und die Aufdampftemperatur einstellen lässt, was für die magnetischen Eigenschaften der Nanostrukturen eine entscheidende Rolle spielt.