Dünnschichtherstellung mittels MBE für Nutzer

Das Jülich Centre for Neutron Science (JCNS) betreibt eine Molekularstrahlepitaxie (MBE) Anlage zur Herstellung von maßgeschneiderten Dünnschichtproben für Experimente mit dem Neutronenreflektometer MARIA und anderen Neutronenstreuinstrumenten am MLZ.

MBE-Wachstum ist ein faszinierendes Verfahren um hochwertige epitaktische Dünnschichten zu wachsen. Unter Epitaxie versteht man das Wachstum einer kristallinen Dünnschicht auf einkristallinen Substraten mit genau definierter Ausrichtung. Auf diese Weise können neue Materialien hergestellt werden, die unerwartete Eigenschaften aufweisen, wie z. B. Ferromagnetismus an der Grenzfläche zwischen zwei antiferromagnetischen Schichten oder Leitfähigkeit zwischen zwei isolierenden Schichten.

Unter der Vielzahl der verfügbaren Dünnschichtwachstumstechniken ist das MBE-Wachstum eine der saubersten, aber eine der technisch anspruchsvollsten Techniken, da ein Ultrahochvakuum (UHV) erforderlich ist. So beträgt der Basisdruck der vom JCNS betriebenen MBE-Anlage etwa 3 × 10^{- 10} mbar. Eine genaue Kontrolle der Wachstumsbedingungen ist die Voraussetzung für qualitativ hochwertige dünne Schichten. Ein Molekularstrahl wird in der Kammer entweder durch die thermische Erwärmung des Materials in einem Tiegel (Effusionszelle) oder durch Erwärmung des Materials mittels Elektronenbeschuss (Electronenstrahlverdampfer, E-Gun) erzeugt. In der vom JCNS betriebenen MBE-Anlage gibt es zwei E-Guns mit je vier Tiegeln und sechs Effusionszellen, d.h. es können bis zu acht verschiedene Materialien gleichzeitig verdampft werden. Zusätzlich kann atomarer Sauerstoff oder Stickstoff mittels einer Plasmaquelle zugeführt werden. Dadurch kann die Herstellung von Oxid-, Nitrid- und Metallschichten in Form von Heterostrukturen, Multilagen oder Einzelschichten angeboten werden.

Eine In-situ-Wachstumskontrolle wird durch ein Instrument zur Beugung hochenergetischer Elektronen in Reflexion (RHEED) erreicht. Zusätzlich wird eine Quarzkristall-Mikrowaage zur Kontrolle der Wachstumsrate eingesetzt. Instrumente zur Elektronenbeugung mit niedriger Energie (LEED) und Auger-Elektronenspektroskopie (AES) für die Oberflächenstruktur bzw. die chemische Analyse sind ebenfalls an das System angeschlossen.

Leistungen:

Dünnschichtherstellung mit MBE Wachstum.
In-situ-Dünnschichtanalyse durch Beugung hochenergetischer Elektronen in Reflexion (RHEED), Elektronenbeugung mit niedriger Energie (LEED) und Auger-Elektronenspektroskopie (AES).
Zusätzliche Probencharakterisierung im Labor: Rasterkraftmikroskopie(AFM).

Technische Daten

Typische Spezifikationen des MBE-Systems

Basisdruck 3 × 10^{- 10}mbar
Verdampferquellen: 6 Effusionszellen, 2 Elektronenstrahlverdampfer (je 4 Tiegel), Plasma-Quelle für Sauerstoff und Stickstoff
Kontrolle des Schichtwachstums mit Quarz-Mikrowaage und RHEED.
Substrathalter: Heizung bis zu 1000°C, optionale Rotation um die Probennormale, Probengröße maximal 2“ Durchmesser oder 20 mm x 20 mm, Standard ist 10 mm x 10 mm, verschiedene andere Optionen sind verfügbar, bitte kontaktieren Sie den Instrumentenwissenschaftler.
Hohe Reproduzierbarkeit des Schichtwachstums durch automatisierte Kontrolle des Wachstumsvorgangs
Mögliche Wachstumsmaterialien: Ag, Al, Au, Co, Cr, Fe, La, Mn, Ni, Nb, Pt, Pd, Sr und Ti, weitere Elemente auf Anfrage.

Verfahren zum Einreichen von Vorschlägen für Schichtherstellung und -charakterisierung

Vor dem Einreichen eines Proposals für die Dünnschichtprobenherstellung ist es unabdingbar, Kontakt mit dem für das Dünnschichtlabor verantwortlichen Wissenschaftler aufzunehmen, um die Fragestellung und Vorgehensweise zu klären.

Es werden zwei Vorgehensweisen zur Probenherstellung angeboten:

Reine Dienstleistung
Bei dieser Vorgehensweise stellt der JCNS-Wissenschaftler die Probe her. Dieses Angebot ist auf Schichtsysteme beschränkt, mit denen gründliche Erfahrungen vorliegen.

Schichtherstellung in Zusammenarbeit
Der Nutzer stellt die Proben unter Hilfestellung der Wissenschaftler vor Ort selbst her. Dieser Ansatz ist notwendig, wenn zur Bestimmung der optimalen Wachstumsbedingungen umfangreiche Versuche durchgeführt werden müssen.

Die Herstellung von MBE-Proben ist nur in Verbindung mit einem Neutronenstreuproposal möglich. Während der Antragstellung für das Neutroneninstrument, z. B. MARIA oder N-REX, in GhOST wird abgefragt, ob ein zusätzliches Proposal für MBE-Wachstum eingereicht werden soll.

Template für Anträge auf Probenherstellung mit dem MBE-System – NUR in Kombination mit einem Messzeitvorschlag für ein MLZ-Neutronenstreuinstrument