Oberflächenrauigkeitsanalyse dünner Metallfilme und gepulstes Laser-Tempern über Oberflächenplasmonenresonanz mit in situ Rastertunnelmikroskopie

Abstract

In dieser Arbeit wurden abschreckend-kondensierte Cäsiumfilme in situ in einer evakuierten Experimentierzelle bei verschiedenen tiefen Temperaturen präpariert und mittels Rastertunnelmikroskopie (RTM) auf Sub-Mikrometer-Längenskala abgebildet. Dabei konnte gegenüber den bisher existierenden RTM-Aufnahmen von Cäsiumfilmen die Bildqualität signifikant verbessert und die Verlässlichkeit der lateralen Skalierung durch neue Eichbilder bei tiefen Temperaturen erhöht werden.Um ein geeignetes Werkzeug zu besitzen, mit dem die Oberflächenrauigkeit in ein vergleichbares Maß gefasst werden kann, wurde in enger Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Valeri Shikin vom ISSP in Chernogolovka (Russland) die Extraktion der Autokorrelationsfunktion (AKF) als Evaluationsmethode ausgewählt und erweitert: Mit Hilfe einer numerischen Analyse konnte eine methodische Regel für die Mindestauflösung eines Rastersondenmikroskop (RSM)-Bildes aufgestellt werden (Rasterauflösung-Qualitätsbedingung), um eine gültige Abklingkorrelationslänge zu extrahieren, die nicht künstlich vergrößert wurde. Außerdem wurden diese methodischen Betrachtungen dafür verwendet um aus dem weiteren Verlauf der AKF höhere Ordnungen von Korrelationslängen zu extrahieren. Diese werden für die Untersuchung von RSM-Daten benötigt, welche eine nicht zufällige Verteilung von Rauigkeitsamplituden besitzen, was bei vielen Oberflächenstrukturen der Fall ist. Beim Vergleich der AKF-Analyse mit der Auswertung durch ein einfaches Histogramm eines typischen Cäsium-RTM-Bildes zeigte sich die Wichtigkeit der AKF-Analyse, da die Histogrammauswertung als Ein-Punkt-Analyse nicht die Abweichung von einer zufälligen Verteilung von Rauigkeitsamplituden aufzeigte, wohingegen die AKF-Analyse als Zwei-Punkt-Analyse eine laterale Abklingkorrelationslänge und auch höhere Ordnungen von Korrelationslängen enthüllte.Die AKF-Analyse wurde zur quantifizierenden Evaluation der Oberflächenrauigkeit auf die RTM-Bilder der abschreckend-kondensierten Cäsiumfilme angewandt und die Ergebnisse in Abhängigkeit von der Aufdampftemperatur verglichen. Bei der Bestimmung der Abklingkorrelationslänge wurde zudem mit der Rasterauflösung-Qualitätsbedingung, die hierfür ausreichende Rasterauflösung der analysierten RTM-Bilder sichergestellt.Es stellte sich heraus, dass bei tieferen Temperaturen aufgedampfte Cäsiumfilme (stärker abschreckend-kondensiert) im Vergleich zu bei weniger tiefen Temperaturen aufgedampften Cäsiumfilmen (schwächer abschreckend-kondensiert) erwartungsgemäß die größere Oberflächenrauigkeit aufwiesen. Diese äußert sich in kürzeren Abklingkorrelationslängen der stärker abschreckend-kondensierten Cäsiumfilme von typischerweise unter 30 nm im Vergleich zu Abklingkorrelationslängen der schwächer abschreckend-kondensierten Cäsiumfilme von über 37 nm.Des Weiteren wurde in dieser Arbeit eine neuartige Oberflächenmanipulation an Goldfilmen bei Raumtemperatur realisiert. Die Besonderheit dabei bestand in der Verwendung der in der Literatur bisher nicht erwähnten Methode des Laser-Temperns über das Einstrahlen des gepulsten, frequenzverdoppelten Nd:YAG-Lasers im Oberflächenplasmonen-Resonanzwinkel. Auf diese Art und Weise konnte die Laserpulsenergie besonders effizient in die Goldfilmoberfläche eingekoppelt werden. So wird bei grünem Licht (532 nm) im Oberflächenplasmonen-Resonanzwinkel rechnerisch ca. 90 % der Lichtintensität absorbiert, während bei normaler Einstrahlung auf die Oberfläche des Goldfilms bei senkrechtem Einfall nur ca. 31 % absorbiert wird.Darüber hinaus erlaubte diese Art des Laser-Temperns die in situ Charakterisierung der Goldfilmtopografie vor und nach dem Laser-Tempern auf Sub-Mikrometer-Längenskala mittels Rastertunnelmikroskopie, denn der Laser-Beschuss war für die durch die Piezo-Aktuatoren reversibel zurückgezogene RTM-Spitze auf Grund des exponentiell abfallenden evaneszenten Plasmonenfeldes nicht destruktiv.Zunächst wurden zwei Fälle von lokaler Topografie-Manipulation unterhalb der RTM-Spitze behandelt, welche sich während der Laserjustage bei Tunnelkontakt ereigneten. Die Ursachen dieser interessanten Manipulationen wurden auf Basis von elektrischer Feldverstärkung durch spitzen-induzierte Raman-Streuung interpretiert.Schließlich wurden die Ergebnisse der eigentlichen Laser-Temper-Versuche anhand der in situ aufgenommenen RTM-Bilder (vor und nach dem Laserpuls-Beschuss) aus zwei Fällen, welche flächige Topografie-Manipulationen aufweisen, präsentiert und diskutiert. Hierbei kam unter anderem wie schon bei der Rauigkeitsanalyse von Cäsiumfilmoberflächen die Methode der AKF-Analyse zum Einsatz. Es zeigte sich, dass durch Laser-Tempern in dieser Form eine Abflachung der Topografie auf einer Längenskala von ca. 1 µm erreicht werden kann. Die beobachteten Effekte des Laser-Temperns auf die Oberflächenrauigkeit wurden unter anderem auf Basis der spinodalen Entnetzung dünner Metallfilme interpretiert.