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1 Röntgen- und Synchrotronbeugung an niederdimensionalen Systemen 1.Motivation der Strukturforschung an niederdimensionalen Strukturen a)Zusammenhang zwischen.

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Präsentation zum Thema: "1 Röntgen- und Synchrotronbeugung an niederdimensionalen Systemen 1.Motivation der Strukturforschung an niederdimensionalen Strukturen a)Zusammenhang zwischen."—  Präsentation transkript:

1 1 Röntgen- und Synchrotronbeugung an niederdimensionalen Systemen 1.Motivation der Strukturforschung an niederdimensionalen Strukturen a)Zusammenhang zwischen den Materialeigenschaften, der Struktur und dem Gefüge von Werkstoffen b)Modelle und Parameter zur Beschreibung der Realstruktur von Werkstoffen 2.Experimentelle Methoden der Röntgenstrukturanalyse bei der Untersuchung von niederdimensionalen Systemen a)Eigenschaften der Röntgen- und Synchrotronstrahlung (insbesondere die Kohärenz der Strahlung) b)Spezielle Experimentalmethoden in der Strukturanalyse an niederdimensionalen Systemen (Beugung unter streifendem Einfall, Röntgenbeugung mit Hochauflösung, Reflektometrie, grazing angle X-ray diffraction) 3.Kinematische Beugungstheorie a)Die wichtigsten Ergebnisse der kinematischen Beugungstheorie b)Strukturuntersuchungen an dünnen Schichten c)Strukturuntersuchungen an Multilagenschichten d)Strukturuntersuchungen an lateral geordneten Strukturen 4.Optische Theorie der Röntgenreflexion und die Bornsche Approximation der gestörten Welle (distorted wave Born approximation) a)Theoretische Grundlagen b)Kleinwinkelstreuung an kontinuierlichen Multilagenschichten c)Kleinwinkelstreuung an diskontinuierlichen Multilagenschichten 5.Einführung in die dynamische Beugungstheorie a)Theoretische Grundlagen b)Einführung in die Röntgentopographie c)Stehwellen

2 2 Literatur 1.C. Giacovazzo, H.L. Monaco, D. Viterbo, F. SCordari, G. Gilli, G. Zanotti, M. Catti: Fundamentals of Crystallography, International Union of Crystallography, Oxford Univ. Press, New York, V. Holý, U. Pietsch, T. Baumbach: High-resolution X-ray Scattering from Thin Films and Multilayers, Springer Tracts in Modern Physics, Vol. 149, Springer, Berlin, Heidelberg, New York, A. Authier, S. Lagomarsino, B.K. Tanner: X-ray and Neutron Dynamical Diffraction, Theory and Applications, NATO ASI Series B: Physics Vol. 357, Plenum Press, New York, London, M.A. Krivoglaz: X-ray and neutron diffraction in non-ideal crystals, Springer, Berlin, Heidelberg, M.A: Krivoglaz: Diffuse scattering of X-rays and neutrons by fluctuations, Springer, Berlin, Heidelberg, Z.G. Pinsker: Dynamical scattering of X-rays in crystals, Springer, Berlin, 1978.

3 3 Physikalische Eigenschaften der niederdimensionalen Strukturen Magnetische Anwendungen Magnetische Anisotropie Großer Magnetowiderstand (Giant magnetoresistance) Magnetische Sensoren Leseköpfe für Festplatten Magnetische Ventile Optische Anwendungen Variabler Brechungsindex Kerr Effekt (Kerr Rotation) Mechanische Anwendungen Hohe Härte Chemische Beständigkeit Elektronische Anwendungen Variabler elektrischer Widerstand mit chemischer Zusammensetzung Änderung der Gap-Breite (Breite der verbotenen Zone) Laser Festkörperdetektoren Transistoren

4 4 Halbleitermaterialien für elektronische Schichten

5 5 Motivation der Strukturforschung an niederdimensionalen Strukturen Zusammenhang zwischen Kristallstruktur und Materialeigenschaften Kristallstruktur Kristallsymmetrie Lokale Symmetrie (Punktgruppe) Symmetrie der physikalischen Eigenschaften Gitterparameter Atomare Abstände Energieband Elektronische Eigenschaften Kristallstruktur bestimmt physikalische Eigenschaften

6 6 Zusammenhang zwischen Realstruktur und Materialeigenschaften Realstruktur Chemische Nichthomogenität Änderung des Gitterparameters und Änderung der Anzahl an Elektronen Änderung im Bänderschema Mechanische Belastung (Eigenspannung) Anisotrope Änderung des Gitterparameters Änderung im Bänderschema Endliche Kristallitgröße Einfluss der Korngrenzen (lokalen Grenzflächen) Zusätzliche Streuzentren für Elektronen Vorzugsorientierung der Kristallite Verstärkung der Kristallanisotropie Mittelwert der physikalischen Eigenschaften Strukturdefekte Streuzentren für Elektronen Änderung im Bänderschema Realstruktur beeinflusst physikalische Eigenschaften

7 7 Zusammenhang zwischen Kristallstruktur und Materialeigenschaften … in MOCVD Ba x Sr 1-x TiO 3 Schichten Verlangt wird: Niedrige Eigenfrequenz Kleine Dämpfung Hohe dielektrische Konstante Dielektrisches Material für permanente Speicher (non-volatile memories) In dünnen Schichten beobachtet man: Hohe Eigenfrequenz Starke Dämpfung Niedrige dielektrische Konstante Gesucht wird: Zusammenhang zwischen den Materialeigenschaften und der realen Struktur

8 8 Zusammenhang zwischen Kristallstruktur und Materialeigenschaften … in PVD UN Schichten Untersuchung der Systeme mit 5f Elektronen UN Einkristalle sind antiferromagnetisch < 53 K Polykristalline UN Schichten besitzen eine ferromagnetische Komponente < 100 K

9 9 Zusammenhang zwischen Kristallstruktur und Materialeigenschaften Einkristalle haben oft bessere und besser definierte Eigenschaften als polykristalline Materialien … aber nicht immer

10 10 Zusammenhang zwischen Kristallstruktur und Materialeigenschaften … in PVD Ti 1-x Al x N und Ti 1-x-y Al x Si y N Schichten Harte und korrosionsbeständige Schutzschichten für Hochtemperaturanwendungen

11 11 Parameter der (idealen) Kristallstruktur Chemische Zusammensetzung Raumgruppe Gitterparameter Bruchkoordinaten Okkupationszahlen

12 12 Parameter der Realstruktur Räumliche Verteilung der chemischen Zusammensetzung Spannungsfreier Gitterparameter Eigenspannung erster Art Kristallitgröße Vorzugorientierung der Kristallite Typ, Dichte und Verteilung der Strukturdefekte (Punktdefekte, Liniendefekte, 2D-Defekte, Ausscheidungen)


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