Wissenschaftler beschreiben den Verlauf von Reaktionen in zweischichtigen dünnen Metallschichten.

Ein Forscherteam der Sibirischen Föderalen Universität (SFU) erhielt dünne Kupfer/Gold und Eisen/Palladium-Schichten und untersuchte die Reaktionen, die beim Erhitzen ablaufen. Mit dem Wissen um diese Prozesse werden die Wissenschaftler in der Lage sein, die Eigenschaften von Materialien, die derzeit in der Mikroelektronik verwendet werden, zu verbessern. Die Studie wurde im Journal of Solid State Chemistry veröffentlicht.

Materialien auf Basis dünner Metallschichten werden in der Mikroelektronik häufig eingesetzt. Nanomaterialien auf Eisen- und Palladiumbasis haben einzigartige magnetische Eigenschaften und können potenziell für die hochdichte magnetische Aufzeichnung von Informationen verwendet werden. Einer der Hauptfaktoren, die die Eigenschaften von Dünnschichtmaterialien beeinflussen, ist die Veränderung der Phasenzusammensetzung als Folge chemischer Reaktionen und der Neuausrichtung der Atomstruktur. Die Arbeit der Forscher umfasst Festphasenreaktionen in zweischichtigen dünnen Metallschichten Kupfer/Gold (Cu/Au) und Iro/Palladium (Fe/Pl).

Die Wissenschaftler erhielten die Cu/Au- und Fe/Pd-Filme im SFU Common Use Center. Dazu verwendeten sie das Verfahren der Elektronenstrahlabscheidung im Hochvakuum, d.h. die Legierung wurde mit einem Elektronenstrahl verdampft und anschließend als dünne Schicht auf einer Trägerbasis abgeschieden. Die Dicke der Schicht kann reguliert werden. Nach Erhalt der Filme machten die Wissenschaftler ein Experiment, um den Verlauf chemischer Reaktionen im Grenzflächenbereich der Ausgangselemente zu untersuchen. Für die Reaktionen mussten die Materialien auf hohe Temperaturen erhitzt werden, was direkt in der Säule eines Transmissionselektronenmikroskops erfolgte. Das Team verwendete einen speziellen Probenhalter, der eine kontrollierte Erwärmung jeder Probe von Raumtemperatur auf 1.000 ° C ermöglichte. Zusammen mit der Erwärmung registrierte das Team Elektronenbeugungsbilder und maß die Temperatur. So gelang es den Wissenschaftlern, die Einleitung der Reaktion und die Erfassung von Veränderungen in einer Festphasenreaktion in einem Experiment zu kombinieren und eine hohe Datengenauigkeit zu gewährleisten.

„Wir haben den Wert des langfristigen Ordnungsparameters und die Temperatur des Übergangs der Ordnungsstörung in atomar geordneten Phasen, die sich im Laufe der Reaktion gebildet haben, ermittelt. Die Atome solcher Phasen bilden geordnete Strukturen bestimmter Formen. Wir schlugen auch einen Mechanismus für die Bildung solcher geordneten Strukturen vor. Im Falle des Cu/Au-Systems haben wir beispielsweise gezeigt, wie die gegenseitige Diffusion von Kupfer und Gold in den Anfangsphasen der Reaktion zur Verfeinerung der Körner der Ausgangsmaterialien und zur Bildung von Cu-Au-Festlösungs-Nanokristalliten innerhalb des Materials führt. Später entsteht eine neue geordnete Struktur, die auf der Grundlage dieser Komponenten zu wachsen beginnt“, erklärt Evgeny Moiseenko, Mitautor der Arbeit, Kandidat für Physik und Mathematik und wissenschaftlicher Mitarbeiter an der SFU.

Die Arbeit der Wissenschaftler wird dazu beitragen, die Merkmale der untersuchten Dünnschichtsysteme zu identifizieren, die bei der Entwicklung mikroelektronischer Bauelemente verwendet werden können.

Mehr Informationen:
Sergey M. Zharkov et al, L10 geordnete Phasenbildung bei Festkörperreaktionen in Cu/Au und Fe/Pd Dünnschichten, Journal of Solid State Chemistry (2018). DOI: 10.1016/j.jssc.2018.09.009

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