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Dünne Schichten, Oberflächen und Nanomaterialien

Oberflächenenergie, homogene und heterogene Keimbildung und kritischer Keimradius, Wachstumsmodi dünner Schichten, Wärmespannungen in Schichten sowie Eigenschaften von Nanomaterialien wie spezifische Oberfläche und Quantengrößeneffekt mit Multiple-Choice-Fragen lernen.

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Wärmeausdehnung und Wärmespannung →

Dünne Schichten, Oberflächen und Nanomaterialien: das Wichtigste

Atome an Oberflächen und Grenzflächen haben einen Teil ihrer Bindungen verloren und besitzen daher eine zusätzliche Energie (Oberflächenenergie, Grenzflächenenergie). Bei der Bildung eines Keims einer neuen Phase konkurrieren die Abnahme der freien Enthalpie des Volumens und die Zunahme der Grenzflächenenergie; nur Keime oberhalb des kritischen Keimradius r* = −2γ/ΔGv wachsen weiter. Bei der heterogenen Keimbildung auf Substraten oder Wänden ist die Energiebarriere kleiner.

Dünne Schichten wachsen je nach dem Gleichgewicht der Oberflächenenergien und der Gitterfehlanpassung lagenweise, inselförmig oder zuerst lagenweise und dann inselförmig. Der Unterschied der Wärmeausdehnung gegenüber dem Substrat erzeugt eine Wärmespannung σ = EΔαΔT/(1 − ν), die Durchbiegung, Ablösung und Ausfälle von Leiterbahnen verursacht. Werden Partikel auf Nanogröße verkleinert, wächst die spezifische Oberfläche, und Quantengrößeneffekt sowie Ostwald-Reifung treten deutlich hervor.

Alle Fragen zum Thema „Dünne Schichten, Oberflächen und Nanomaterialien“ (12)
  1. Welche Aussage über die Oberflächenenergie von Metallkristallen trifft zu?
  2. Bei der homogenen Keimbildung sei die Änderung der freien Energie bei der Bildung eines kugelförmigen Keims mit dem Radius r durch ΔG = (4/3)πr³ΔGv + 4πr²γ gegeben. Welcher Wert kommt bei einer Grenzflächenenergie γ = 0,10 J/m² und einer Änderung der freien Energie je Volumeneinheit ΔGv = −2,0×10⁸ J/m³ dem kritischen Keimradius r* am nächsten?
  3. Bei der heterogenen Keimbildung beträgt die zur Bildung eines kritischen Keims nötige Energie mit dem Kontaktwinkel θ zwischen Keim und Substrat das f(θ) = (2 + cosθ)(1 − cosθ)²/4-Fache des Wertes bei homogener Keimbildung. Welcher Wert kommt f(θ) für θ = 60° am nächsten?
  4. Wie verhält sich bei gleicher Unterkühlung der Krümmungsradius des kritischen Keims bei heterogener Keimbildung im Vergleich zum kritischen Keimradius bei homogener Keimbildung?
  5. Welche Aussage beschreibt unter den Wachstumsmodi dünner Schichten das Stranski-Krastanov-Wachstum (SK-Wachstum) richtig?
  6. Die Oberflächenenergie des Substrats sei γs, die der Schicht γf und die Grenzflächenenergie zwischen Schicht und Substrat γi. Unter welcher Bedingung tritt Inselwachstum (Volmer-Weber-Wachstum) bevorzugt auf?
  7. Eine Aluminiumschicht (Elastizitätsmodul 70 GPa, Querkontraktionszahl 0,35, Längenausdehnungskoeffizient 23×10⁻⁶ K⁻¹) auf einem Siliziumsubstrat (Längenausdehnungskoeffizient 2,6×10⁻⁶ K⁻¹) wird vom spannungsfreien Zustand bei 125 °C auf 25 °C abgekühlt. Welche Richtung und Größe hat die in der Schicht entstehende Wärmespannung σ = EΔαΔT/(1 − ν), wenn das Substrat ausreichend dick ist?
  8. Auf einem Siliziumsubstrat wird bei hoher Temperatur eine thermische Oxidschicht (SiO₂, Längenausdehnungskoeffizient etwa 0,5×10⁻⁶ K⁻¹) erzeugt und auf Raumtemperatur abgekühlt. Welche Spannung entsteht durch den Unterschied der Wärmeausdehnung in der Oxidschicht, wenn der Längenausdehnungskoeffizient von Silizium etwa 2,6×10⁻⁶ K⁻¹ beträgt?
  9. Auf das Wievielfache steigt die Oberfläche je Volumeneinheit (spezifische Oberfläche), wenn der Durchmesser kugelförmiger Partikel von 1 µm auf 10 nm verkleinert wird?
  10. Wie ändert sich die Emissionsfarbe von Halbleiter-Nanokristallen (Quantenpunkten) wie CdSe, wenn die Partikelgröße verkleinert wird?
  11. Was ist der Hauptgrund dafür, dass Vakuumbedampfen im Hochvakuum (z. B. bei etwa 10⁻⁴ Pa) durchgeführt wird?
  12. Eine Legierung, in deren Matrix Ausscheidungsteilchen unterschiedlicher Größe verteilt sind, wird lange bei hoher Temperatur gehalten. Welche Aussage beschreibt die dabei ablaufende Ostwald-Reifung richtig?

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