Morphologie und Wachstum von dünnen Kupfer- und Goldfilmen

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurden die Untersuchungen zum Filmwachstum von Kupfer und Gold auf der Rhenium(0001)-Oberfläche vorgestellt. Im TD-Spektrum zeigt Kupfer zwei Desorptionszustände in einem Temperaturbereich zwischen 950 K und 1150 K (b = 3,52 K/s), diese können der Desorption aus der ersten Monolage bzw. der Multilage zugeordnet werden. Ein weiterer Desorptionszustand, der der Desorption aus der zweiten Lage zugeschrieben werden kann, wird überlagert vom Multilagenzustand und ist nur als kleine Schulter erkennbar. Für den Submonolagenzustand beobachten wir einen Übergang von einer Kinetik erster Ordnung zu einer Kinetik nullter Ordnung. Wir bestimmten folgende Desorptionsenergien: 291 kJ/mol für den Monolagenzustand und 333 kJ/mol für den Multilagenzustand. Nach Deposition bei Raumtemperatur beobachten wir mittels RTM beim System Cu/Re(0001) für sehr kleine Bedeckungen ausschließlich heterogene Keimbildung. Im mittleren Submonolagenbereich bildet Kupfer relativ kompakte zweidimensionale fraktale Inseln, die zum Teil Fehlanpassungsstrukturen in Form von dreieckigen Gebilden aufweisen. Bei erhöhter Substrattemperatur koaleszieren diese Inseln, und es bildet sich ein kompakter Kupferfilm. Die erste Lage wird annähernd komplett geschlossen, bevor die zweite Lage beginnt aufzuwachsen. Im Bilagenbereich kommt es bei erhöhten Temperaturen zur Bildung von mäanderartigen misfit-Dislokations- Strukturen. Diese entstehen durch die Anordnung von 15 Cu-Atomen der zweiten Lage auf 14 Cu-Atomen der ersten Lage. Letztere weist eine pseudomorphe Anordnung auf, das heißt, Kupfer wächst mit dem Gitterparameter von Rhenium auf. Im Gegensatz zum Kupfer zeigen die Ergebnisse der CO-Titrationsversuche, dass Gold eine recht offene Struktur besitzt. Eine Komplettierung der ersten Monolage erfolgt erst in einem Bedeckungsgradbereich zwischen QAu = 1,7 ML und QAu = 3 ML. Das Wachstum von Gold auf Rhenium ist ebenfalls sehr stark von den Präparationsbedingungen abhängig. Während bei tiefen Präparationstemperaturen (100 K) scheinbar großflächig verteilte zunächst zweidimensionale, ab ca. 0,3 ML jedoch dreidimensionale Inseln aufwachsen, bewirkt eine hohe Präparationstemperatur (900 K) das Zusammenfließen dieser Inseln, und es bildet sich ein relativ kompakter zweidimensionaler Goldfilm. Ab einer Bedeckung von ca. 0,8 ML gewinnt das dreidimensionale Wachstum auch für die hohe Präparationstemperatur an Bedeutung. Die Deposition von Gold auf Rhenium bewirkt nur eine geringe Austrittsarbeitserhöhung (DF) von maximal 80 mV. Dementsprechend nehmen wir nur einen geringen Ladungstransfer vom Rhenium zum Gold an. Diese geringe elektronische Wechselwirkung bestätigen auch die Ergebnisse der CO-TD-Experimente auf der bimetallischen Au/Re(0001)-Oberfläche, da keine bzw. nur eine geringfügige Verschiebung der CO-TD-Signale im Vergleich zur reinen Re(0001)-Oberfläche beobachtet wurden. Gold desorbiert bei einer etwas höheren Temperatur als Kupfer in einem Temperaturbereich zwischen 1100 K und 1375 K (b = 7,14 K/s). Dementsprechend hoch liegen die Desorptionsenergien: 343 kJ/mol für den Monolagenzustand (Redhead-Analyse) und 421 kJ/mol für die Multilage. Analog dem Kupfer wurden zwei Desorptionszustände (Multilage und Monolage) beobachtet, jedoch fanden wir für den Monolagenzustand eine Kinetik erster Ordnung im gesamten Submonolagenbereich.

In this thesis we presented investigations about the growth of Cu and Au on the Re(0001) surface. The Cu TD-spectra show two desorption states in the temperature range between 950 K and 1150 K (b = 3.52 K/s). We assign these states to first layer and multilayer desorption. One further state (originating from second layer desorption) is not well resolved and appears only as a little shoulder on the multilayer peak. In the submonolayer range, we observe, with increasing coverage, a transition from a first-order to a zero-order desorption kinetics. We evaluated the following desorption energies: 291 kJ/mol for the first monolayer and 333 kJ/mol for the multilayer. STM images, taken after deposition at room temperature, show for very small Cu-coverages exclusively heterogeneous nucleation. We observe fractal two-dimensional islands in the middle of the submonolayer range. These islands show partly misfit-dislocation structures of triangular shape. At higher temperatures (900 K), they fuse and form a compact Cu film. The first layer is approximately complete before the second begins to grow. In the second layer range, we observe, at elevated temperatures, meanderlike misfit- dislocation structures. These structures originate from the arrangement of 15 Cu atoms of the second layer over 14 Cu atoms of the first layer. In the first layer, the atoms have a pseudomorphical arrangement, i.e., Cu has the same lattice parameter as Re. Our CO adsorption experiments on the bimetallic Au/Re(0001) show that Au - in contrast to Cu - forms a relatively open structure. The first layer is complete at coverages higher than Q Au = 1.7 ML. As similiarly found for Cu, the growth of Au on Re(0001) depends strongly on the preparation conditions. If we prepared the bimetallic sample at 100 K, Au seems to form initially statistically distributed twodimensional islands, whereas above 0.3 ML three-dimensional islands are growing. At higher temperature (900 K), these islands fuse and form a relatively compact two- dimensional Au film. At this temperature, the three-dimensional growth starts at about 0.8 ML. The deposition of Au on Re(0001) causes only a small work function increase of about 80 mV, suggesting a small charge transfer from Re to Au. This small electronical interaction is in agreement with our results from CO TD investigations on the bimetallic Au/Re(0001) surface, because we noticed none, or only a very slight, shift of the CO TD signals relative to the clean Re(0001) surface. Compared to Cu, Au desorbs at higher temperatures between 1100 K and 1375 K (b = 7.14 K/s). Accordingly, we foundlarger desorption energies of 343 kJ/mol for the monolayer (Redhead analysis) and 421 kJ/mol for the multilayer. Analogous to Cu we observed two desorption states, one for the multilayer and another for the monolayer. In contrast to Cu, Au desorbs with zero-order kinetics in the whole submonolayer range. The width of the multilayer state suggests the existence of a further Au desorption state, which originates from the desorption of the second layer, similiar to our observations for Cu. However, this state cannot be resolved, because it overlaps with the multilayer state.