1 Parameter der (idealen) Kristallstruktur Chemische Zusammensetzung Raumgruppe Gitterparameter Bruchkoordinaten Okkupationszahlen

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  • *Parameter der (idealen) KristallstrukturChemische ZusammensetzungRaumgruppeGitterparameterBruchkoordinatenOkkupationszahlen

  • *Parameter der RealstrukturRumliche Verteilung der chemischen ZusammensetzungSpannungsfreier GitterparameterEigenspannung erster ArtKristallitgreVorzugorientierung der KristalliteTyp, Dichte und Verteilung der Strukturdefekte (Punktdefekte, Liniendefekte, 2D-Defekte, Ausscheidungen)

  • *Realstruktur und Gefge dnner SchichtenPhasenzusammensetzung (Phasenanalyse)Mechanische Belastung (Eigenspannungsanalyse)nderung der chemischen Zusammensetzung, Punktdefekte (Bestimmung der spannungsfreien Gitterparameter)Kristallanisotropie und makroskopische Anisotropie (Analyse der Kristallanisotropie)Vorzugsorientierung der Kristallite (Texturanalyse)Einfluss der Korngrenzen und Sunkorngrenzen auf die physikalischen Eigenschaften der Schichten (Bestimmung der Kristallitgre und der lokalen Gitterverzerrung Mikrospannung)

  • *Anwendung der Rntgenbeugung in Dnnschichtanalytik (Zusammenfassung)Phasenanalyse (Rntgenbeugung + Information ber chemische Zusammensetzung)Eigenspannungsanalyse (Rntgenbeugung + mechanische Methoden)Bestimmung der Gitterparameter (Rntgenbeugung + HRTEM)Analyse der Kristallanisotropie (Rntgenbeugung)Texturanalyse (Rntgenbeugung + Analyse der Kikuchi Linien)Bestimmung der Kristallitgre und der Mikrospannung (REM + TEM + Rntgenbeugung)

  • *Vergleich XRD/XRRXRD Notwendig frs Ausmessen der NetzebenenabstndeUntersuchung der Kristallinitt der Multilagenschichten Besser geeignet fr die Untersuchung der Dicke von einzelnen Schichten, wenn die Schichten dnn sindXRRNotwendig fr Untersuchung der Elektronendichte einzelner SchichtenZuverlssige Information ber einzelne Schichten (Untersuchung des Tiefengradienten)Viel besser geeignet fr amorphe MultilagenschichtenXRD und XRR liefern komplementre DatenDaher ist die Kombination beider Methoden empfehlenswert

  • *Phasenanalyse an dnnen SchichtenEigenspannungsanalyse und Bestimmung der spannungsfreien GitterparameterBestimmung der PhasenzusammensetzungTexturanalyseProfilanalyse

  • *Realstruktur und Gefge von dnnen Schichten Eigenspannung 2. Art(Mikrospannung)FF ~ FEigenspannung 1. Artmechanische BelastungSpannungsfreier Gitterparameterchemische Zusammensetzung, Punktdefekte im KristallgitterKristallitgreTextur

  • *Modell einer MultilagenschichtMakroskopische Periodizitt Atomare AnordnungBeugungskontrast (Unterschied in atomaren Streufaktoren)Kristallinitt der einzelnen Schichten, Vorzugsorientierung der Kristallite und KristallitgreMittlerer Netzebenenabstand und Netzebenenanzahl und ihre Verteilung

  • *Kristallgitterdefekte in nanokristallinen SchichtenWas ist die Ursache fr groe Mikrospannungen in nanokristallinen Schichten?Kohrenz der Atome in Nachbardomnen oder in Nachbarkristalliten?Schematische Darstellung einer Disklination

  • *MultilagenschichtenHarte SchichtenElektronische SchichtenLaserFestkrperdetektorenTransistorenMagnetische SchichtenGMR SchichtenMagnetische SensorenLesekpfe fr FestplattenMagnetische VentileOptische SchichtenVariabler BrechungsindexKerr Effekt (Kerr Rotation)

  • *Strukturmodell fr WeitwinkelbeugungtA=NA.dAtB=NB.dBIntralayer disorder, dd-spacing, dAInterlayer distance, aL = tA+tBInterlayer disorder, cd-spacing, dB

  • *Strukturmodell (fr Rntgenreflexion im Kleinwinkelbereich)Jede Schicht wird charakterisiert durch:Brechungsindex, bzw. ElektronendichteSchichtdickeGrenzflchenrauhigkeit, bzw. Oberflchenrauhigkeit

  • *Symmetrische BeugungsgeometrieKoplanare BeugungParafokussierende GeometrieSymmetrische AnordnungFeste Richtung der Beugungsvektors

  • *Symmetrische BeugungsgeometriePlusArbeitet mit divergentem PrimrstahlBeugungsebene sind parallel zur ProbenoberflcheSimple Scans im reziproken Raum (Textur)MinusAnwendbar hauptschlich fr polykristalline MaterialienBeugungsebenen sind parallel zur ProbenoberflcheEindringtiefe hngt vom Beugungswinkel ab

  • *Rntgenbeugung unter streifendem Einfall (Glancing angle X-ray Diffraction, GAXRD)Koplanare BeugungsgeometrieKleiner (und konstanter) PrimrwinkelBewegender DetektorVariable Richtung des Beugungsvektors

  • *Rntgenbeugung unter streifendem Einfall (Glancing angle X-ray Diffraction, GAXRD)PlusReduktion der Eindringtiefe beim kleinen EinfallwinkelDie Eindringtiefe ist fast unabhngig vom BeugungswinkelMinusAnwendbar fr polykristalline WerkstoffeKomplexe Untersuchung des reziproken Raumes (bes. bei einer Vorzugsorientierung)Probleme mit Oberflchenabsorption (Abnahme der Intensitt bei rauen Oberflchen)

  • *GAXRD Experimentelle AnordnungAsymmetrische Beugungsgeometrie; kleiner Einfallwinkel; groer AustrittwinkelSeemann-Bohlin geometryParallel beam opticsX-ray tubeMonochromatorSampleDetector withreceiving slitDiffractometer axisMonochromatorDetectorSampleX-raytubeSollercollimatorReferences:H. Seemann: Ann. Physik 59 (1919) 455.H. Bohlin: Ann. Physik 61 (1920) 420.

  • *-VerfahrenqzqxqyNichtkoplanare BeugungsgeometrieAsymmetrische (/2q) GeometrieVariable Richtung des Beugungsvektors

  • *-VerfahrenPlusMessung in verschiedenen Richtungen des Beugungsvektors (notwendig fr Eigenspannungs- und Texturmessungen)MinusBeschrnkter WinkelbereichDie Eindringtiefe hngt vom Beugungswinkel und von der Kippung der Probe ab

  • *-VerfahrenNichtkoplanare Beugungsgeometrieq/2q symmetrisch, Probe wird gekipptVariable Richtung des Beugungsvektors

  • *-VerfahrenPlusMessung in verschiedenen Richtungen des Beugungsvektors (notwendig fr Eigenspannungs- und Texturmessungen)Netzebenen sind erreichbar, die in koplanarer Beugungsgeometrie nicht untersucht werden knnenMinusDie Eindringtiefe hngt vom Beugungswinkel und von der Kippung der Probe abDer Primrstrahl muss kollimiert werden, dass die instrumentellen Aberrationen nicht zu gro sind und dass eine gute Kohrenz der Strahlung auch in der y-Richtung gewhrleistet ist

  • *Rntgenreflexion im KleinwinkelbereichMonochromatorProbeDetektorKoplanare symmetrische BeugungsgeometrieKleiner Einfallwinkel, kleiner AustrittswinkelUnvernderliche Richtung des BeugungsvektorsPlusAmorphe oder kristalline Materialien (Schichten) knnen untersucht werdenEine geringe Eindringtiefe oberflchensensitive MethodeMinusKleine Divergenz des Primrstrahles ist wichtigAnwendbar nur fr glatte Oberflchen

  • *Grazing-incidence X-ray Diffraction (GIXRD)Nichtkoplanare BeugungsgeometrieBeugung an den zur Probenoberflche senkrechten NetzebenenMessung im oberflchennahen BereichGute Qualitt der Oberflche ist notwendig (die Oberflche muss die Rntgenstrahlung reflektieren)

  • *Grazing-incidence X-ray Diffraction (GIXRD)PlusSehr kleine Eindringtiefe (Oberflchenbeugung), einstellbar durch den PrimrwinkelDie Eindringtiefe ist konstantStrukturanalyse an polykristallinen und epitaktischen SchichtenMinusZugnglich sind nur die Netzebenen (hk0) Anwendbar fr Proben mit kleiner Oberflchenrauhigkeit (Messung in der Nhe der totalen Reflexion)Notwendig ist eine gute Kohrenz in der horizontalen sowie vertikalen Richtung (Synchrotronstrahlung)

  • *PhasenanalyseChemische Zusammensetzung: GDOES, ESMA mit EDX und/oder WDX, XPS, Beugungslinien: Position, Intensitt, Breite, FormDatenbank: z.B. PDF von ICDDPhasenzusammensetzung: WC + TaC SubstratTiN Schicht (Probe 1)AlN + TiN Schicht (Probe 2)

  • *Phasenanalyse an nanokristallinen Schichtennderung der IntensittVorzugsorientierungDicke der Schichtnderung der PositionChemische ZusammensetzungEigenspannung 1.ArtStrukturdefekteBeispiel: TiAlN Schicht auf WC Substrat, GAXRD bei = 3Mgliche Phasen: TiN (Fm3m), Ti1-xAlxN (Fm3m), AlN (P63mc, Fm3m)ProfilanalysePositionIntensittBreiteForm

  • *EigenspannungsanalyseZweiachsige Eigenspannung in dnnen SchichtenZylindrisch symmetrische Eigenspannungd0 = ??? Datenbank (?)Problem: Einfluss der chemischen Zusammensetzung und der Dichte der Punktdefekte auf den (die) Gitterparameter

  • *Eigenspannungsanalysea0 (d0) und knnen bestimmt werden, wenn und E bekannt sindKubische dnne SchichtenSpannungsfreier NetzebenenabstandMessung an einer Familie der NetzebenenMessung an verschiedenen Netzebenen2/-ScanGAXRD

  • *EigenspannungsanalyseScherspannungenAbweichung von der linearen Abhngigkeit a vs. sin2Beispiel: CVD TiN Schicht, GAXRD bei =3

  • *Texturanalyse mit RntgenstrahlungSymmetrische 2/-MessungBestimmung der Texturrichtung und Abschtzung des Texturgrades mittels Harris-TexturindexesVoraussetzung: zylindrisch symmetrische FasertexturGauss:March-Dollas:PVD Ti1-xAlxN Schichten, GAXRD bei = 3

  • *Texturanalyse mit Rntgenstrahlung-VerfahrenBestimmung der Breite der Gauss-Verteilung der Kristallite um die Vorzugsrichtung2 = konstantGauss-Scan

  • *Texturanalyse mit Rntgenstrahlung2/-Verfahren q-Scan (reciprocal space mapping)Textur + EigenspannungsanalysePVD UN, GAXRD bei = 3Messung bei qy = 02/-Scan

  • *Analyse der LinienverbreiterungWarren-Averbach-MethodeFourier Koeffizienten:Kleines n:Kleine Gitterverzerrung:Wichtig: Qualitt der Messdaten. Notwendig: Entfaltung der gemessenen ProfileKristallitgreMikrospannung

  • *Analyse der Linienverbreiterung in nanokristallinen dnnen SchichtenSchwache Beugungslinien im 2/-Scan Probleme mit der Qualitt der DatenGAXRD Netzebenen mit unterschiedlichen (hk) haben unterschiedliche makroskopische RichtungBreite Linien, niedrige Intensitt Bestimmung der Linienform ist nicht zuverlssigWilliamson-HallScherrer Formel

  • *Analyse der LinienverbreiterungWilliamson-Hall-AbhngigkeitKristallitgreMikrospannungPVD UN Schicht, GAXRD bei =3D < 0Cauchy: n = 1Gauss: n = 2PVD TiAlN Schichten, GAXRD bei =3

  • *Analyse der LinienverbreiterungEinfluss der Krista