Die Keimbildung und das Wachstum von Dünnschichten sind die wichtigsten Schritte in der Beschichtungstechnologie. Die Keimbildung umfasst die Bildung winziger Keime des abgeschiedenen Materials auf der Oberfläche des Substrats, die von der Temperatur, der Atmosphäre und anderen Faktoren beeinflusst wird; die Wachstumsphase ist der Prozess der allmählichen Verdickung des abgeschiedenen Materials um den Keimbildungspunkt herum, um einen vollständigen Film zu bilden, der von den Abscheidungsbedingungen gesteuert wird. Das Verständnis und die Optimierung dieser beiden Prozesse sind für die Regulierung der Qualität, der Dicke und der Struktur des Films von grundlegender Bedeutung und bilden die Grundlage für die Erforschung und Anwendung von Beschichtungstechnologien.
Unter Keimbildung versteht man den Prozess, bei dem sich Atome, Moleküle oder Ionen des abgeschiedenen Materials auf der Substratoberfläche ansammeln und während des Beschichtungsprozesses winzige Keime oder Ausgangspunkte bilden. Die Keimbildung ist das Anfangsstadium der Filmbildung und hat einen erheblichen Einfluss auf die endgültige Morphologie, Struktur und Eigenschaften des Films. Der Keimbildungsprozess wird in der Regel durch Faktoren wie Temperatur, Atmosphäre, Oberflächenenergie des Substrats und Oberflächenbehandlung beeinflusst. Die Keimbildungsstellen fungieren dann als Wachstumskern des Films, der sich während des Wachstumsprozesses allmählich ausdehnt und die gesamte Filmstruktur bildet.
Im Gegensatz zu Massenmaterialien sind die physikalischen Eigenschaften dünner Schichten eng mit den Grenzflächenwechselwirkungen zwischen Schicht und Substrat verbunden. Dies bedeutet, dass die Keimbildung und das Wachstum dünner Schichten eine Schlüsselrolle bei der Bestimmung der strukturellen und morphologischen Eigenschaften der erhaltenen Materialien spielen. Keimbildung ist der Prozess, bei dem Atomkerne als Schablonen für das Wachstum von Festkörpermaterialien dienen.
Dieses Phänomen wird in der Regel in homogene Keimbildung, die bei der Bildung von Keimen innerhalb der Hauptanfangsphase auftritt, und inhomogene Keimbildung an strukturellen Inhomogenitäten (z. B. Reaktoroberflächen, Substratoberflächen oder feste Verunreinigungen) unterteilt. Obwohl das Konzept der Keimbildung bereits in den frühen 1920er Jahren erforscht wurde, fasziniert das Gebiet die Forschungsgemeinschaft weiterhin mit neuen theoretischen Modellen, fortgeschrittenen In-situ-Charakterisierungstechniken und neuen Oberflächentechniken zur Kontrolle der Keimbildung und des Wachstums dünner Schichten.
Dünne Schichten im Nanomaßstab und deren Strukturierung sind heute von entscheidender Bedeutung für Technologien wie Elektronik, Energieumwandlung und -speicherung, Sensoren und biomedizinische Geräte. Wissenschaftliche und technologische Fortschritte in diesen Bereichen erfordern ein tieferes Verständnis und eine Manipulation der Oberflächenbehandlungen in den frühesten Schritten der Materialbildung. Ein hervorragendes Beispiel ist das aufkommende Gebiet der flächenselektiven Abscheidung (Area Selective Deposition, ASD), bei der der Keimbildungsmechanismus gehemmt wird, um die Abscheidung auf einem Bereich einer Oberfläche zu vermeiden, während die Bildung der gewünschten Dünnschicht in einem angrenzenden Bereich ermöglicht wird.
Das Verständnis und die Kontrolle der verschiedenen Aspekte, die bei der Keimbildung und dem Wachstum von dünnen Schichten eine Rolle spielen, ist für viele moderne Anwendungen von großer Bedeutung. Die relative Bedeutung der Oberflächenenergie des Kerns im Vergleich zur Oberflächenenergie des Substrats spielt eine Schlüsselrolle bei der Bestimmung der Wachstumsart des Films. Oberflächentechniken wie mechanisches Polieren/Schaben, nasschemische Verfahren, thermisches Glühen, Plasmabehandlungen usw. können wirksam zur Erzeugung von Oberflächendefekten beitragen. Diese Oberflächenbehandlungen verringern die Oberflächenenergie und erhöhen somit die Keimbildungsdichte. Im Allgemeinen werden die Filmeigenschaften stark durch den Keimbildungsprozess beeinflusst.
Aufgrund des Keimbildungsprozesses kann man leicht Veränderungen in der Kristallstruktur und Morphologie der abgeschiedenen Schichten beobachten. So werden beispielsweise Schichten mit großer Korngröße und hoher Rauheit in der Regel mit niedriger Keimbildungsdichte erhalten, während kleine Korngrößen und glatte Schichten einer hohen Keimbildungsdichte entsprechen. Es ist erwähnenswert, dass Kristallstruktur und Morphologie einen erheblichen Einfluss auf die mechanischen, elektrischen und optischen Eigenschaften eines Materials haben können. So hängen beispielsweise die Härte, Duktilität und Festigkeit eines Materials in hohem Maße von seiner Kristallstruktur und Morphologie ab. Ebenso können die optischen Eigenschaften (z. B. Transparenz oder Farbe) eines Materials durch seine Kristallstruktur und -morphologie beeinflusst werden.
Neben der Kristallstruktur und -morphologie beeinflusst der Keimbildungsprozess auch andere physikalische Eigenschaften des Materials, wie die thermische und elektrische Leitfähigkeit sowie die magnetischen Eigenschaften. So kann beispielsweise die Bildung einer homogenen Kristallstruktur während der Keimbildung die thermische und elektrische Leitfähigkeit erhöhen, während die Bildung einer inhomogenen Kristallstruktur zu einem Anstieg des elektrischen Widerstands und einer Abnahme der thermischen und elektrischen Leitfähigkeit führen kann. Daher ist die Steuerung des Keimbildungsprozesses von entscheidender Bedeutung für die endgültigen Eigenschaften des Films.
Einer der neuesten Entwicklungen und attraktivsten Bereiche im Zusammenhang mit der Kontrolle der Keimbildung von Dünnschichten, nämlich ASD, ist ein aufstrebendes Forschungsgebiet, das nicht nur fortschrittliche Abscheidungs- und Charakterisierungstechniken, sondern auch ein tiefgreifendes Verständnis der Vorgänge auf der Oberfläche des Substrats, d. h. der Wechselwirkungen zwischen den gasförmigen Vorläufermolekülen und den funktionellen Gruppen der Oberfläche, umfasst. Die flächenselektive Keimbildung von Dünnschichten kann durch eine Vielzahl von Techniken erreicht werden, die von der Verwendung von Inhibitormolekülen bis zur Kombination mit flächenselektivem Ätzen (ASE) reichen und einzigartige Werkzeuge für die Entwicklung und Herstellung komplexer Nanostrukturen und -geräte eröffnen.
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