Szilrdtestreakci nanoskln Cserhti Csaba DE TTK Szilrdtest Fizika

Szilárdtestreakció nanoskálán Cserháti Csaba DE TTK Szilárdtest Fizika Tanszék Magyar Fizikus Vándorgyűlés 2016 - Szeged 1

Tartalom • I. Bevezetés • II. Kísérletek • II. a GIXRF mérések és eredmények • II. b EXAFS (és XRD) mérések és eredmények • III. Szg. szimuláció és eredmények • IV. Konklúzió Cserháti Csaba DE Szilárdtest Fizika Tanszék Magyar Fizikus Vándorgyűlés 2016 - Szeged 2

I. Bevezetés NUKLEÁCIÓ q ÁLLANDÓSULT Elmélet q q q NÖVEKEDÉS polymorfikus transzverzális total mixing q Elmélet q q Hodaj, F. , Gusak, A. Acta Materialia 2004; 52: 4305. q q Kísérletek q q q Pasichnyy, M. , Schmitz, G. , Gusak, A. , Voyk, V. Phys Rev B 2005; 72. Cserháti Csaba DE Szilárdtest Fizika Tanszék Kísérletek q atomi felbontás kell kevés mérés intenzív kutatás tisztázatlan atomisztikus részletek q Magyar Fizikus Vándorgyűlés 2016 - Szeged növekedési kinetika (lineáris/parabolikus) fázisképződési sorrend sok mérés 3

Cél NUKLEÁCIÓ ? ÁLLANDÓSULTNÖVEKEDÉS Ebben a méréssorozatban az új fázis nukleációja és az állandósult növekedés között végbemenő növekedési szakaszt vizsgáljuk Cserháti Csaba DE Szilárdtest Fizika Tanszék Magyar Fizikus Vándorgyűlés 2016 - Szeged 4

II. Kísérletek • • Ta (5 nm) Si (12 nm) magnetronos porlasztás hőkezelés (10 -5 Pa, 462 K és 503 K) Ni és Ni 2 Si etalonok GIXRF és EXAFS mérések Bessy II- HZB, KMC 2 nyaláb • multiréteg ([Ni 20 nm/Si 20 nm]x 10) • XRD és 4 W ellenállásmérés Bessy II. HZB, 7 TMPW nyaláb Ni/Co (10 nm) Si (14 nm) Ta (30 nm) hordozó Ta(5 nm) / a-Si(12 nm / Ni(10 nm) / a-Si(14 nm) / Ta(30 nm) Cserháti Csaba DE Szilárdtest Fizika Tanszék Magyar Fizikus Vándorgyűlés 2016 - Szeged

II. a GIXRF mérések hullámvezető struktúrában Minták n Magnetronos porlasztás q q q detektor (fluoreszcencia) fix energia (monokromatikus) polikristályos Ta polikristályos Ni/Co amorf Si Ta (5 nm) Si (12 nm) Ni/Co (10 nm) Si (14 nm) Kísérleti elrendezés n állandó nyalábenergia n fluoreszcencia n reflektivitás Cserháti Csaba DE Szilárdtest Fizika Tanszék detektor (reflexió) Magyar Fizikus Vándorgyűlés 2016 - Szeged Ta (30 nm) hordozó 6

II. a GIXRF mérések hullámvezető struktúrában detektor (fluoreszcencia) fix energia (monokromatikus) n Ta (5 nm) Si (12 nm) Ni/Co (10 nm) W Si (14 nm) Ta (30 nm) hordozó Cserháti Csaba DE Szilárdtest Fizika Tanszék Magyar Fizikus Vándorgyűlés 2016 - Szeged C. Cserháti et al. DDF 289 -292, pp 369 -375, 2009 Z. Erdélyi et al. X-ray Spectr. 38, 338 -342, 2009 7

Cserháti Csaba DE Szilárdtest Fizika Tanszék Magyar Fizikus Vándorgyűlés 2016 - Szeged 8

GIXRF c(x) rekonstrukció Megfelelő nyalábenergiát választva, az elektromos tér csak a Co/Ni-el hat kölcsön top waveguide layer T = 500 K as-received Co. Si Ta (5 nm) 3 h 1 h Si (20 nm) Co or Ni (5 nm) Si (25 nm) bottom waveguide layer nanoscale resolution Ta (35 nm) substrate Cserháti Csaba DE Szilárdtest Fizika Tanszék Magyar Fizikus Vándorgyűlés 2016 - Szeged 9

II. a GIXRF eredmények hőkezelés 503 K-en 4 h 30’, 4 h 45’, 5 h 30’ Ni/Si 2: 1 arányban már a hőkezeletlen mintában is! Mindkét oldalon! 503 K 4 h 30’ Cserháti Csaba DE Szilárdtest Fizika Tanszék Magyar Fizikus Vándorgyűlés 2016 - Szeged 10

tükör(Ta) hordozó a-Si n n n Mindkét határfelületen 2: 1 öszetétel Ni 2 Si ? a Ni/a-Si vastagabb mint az a-Si/Ni határfelületen Cserháti Csaba DE Szilárdtest Fizika Tanszék Magyar Fizikus Vándorgyűlés 2016 - Szeged hordozó Ni-Si Ni q a-Si n csak a Co/a-Si határfelületen 1: 1 összetétel Co. Si ? Co: Si n Ni 2: Si 1 Co-Si Ni 2: Si 1 q Co Az interfészeken kevert rétegek sztöch. összetételben tükör (Ta) a-Si c(x) rekonstrukció– kiindulási állapot 11

II. b EXAFS mérések („waveguide str. ”) n detektor (fluoreszcencia) Mélységi feloldású EXAFS q q q változik a nyalábenergia változik a beesési szög De! Megmarad az állóhullám! változik az energia I 0 If Ta (5 nm) q If= I 0 e- (E)·x (E) If/I 0 Si (12 nm) Ni (10 nm) Si (14 nm) Ta (30 nm) hordozó inf. vastagság 2 nm Cserháti Csaba DE Szilárdtest Fizika Tanszék Magyar Fizikus Vándorgyűlés 2016 - Szeged 12

II. b EXAFS mérések („waveguide str. ”) n Információ: q q Ni-Si első-szomszéd távolság a Ni Si szomszédjainak száma Ta (5 nm) Si (12 nm) Ni (10 nm) Si (14 nm) “kémiai” információ Ni 2 Si Ta (30 nm) hordozó q Ni/Ni 2 Si arány Cserháti Csaba DE Szilárdtest Fizika Tanszék változik a mintavétel mélysége Magyar Fizikus C. Cserháti et al. DDF 289 -292, pp 369 -375, 2009 Vándorgyűlés 2016 - Szeged Z. Erdélyi et al. X-ray Spectr. 38, 338 -342, 2009 13

X-ray-Absorption Fine Structure monokromátor rés minta I 0 ionizációs kamra Cserháti Csaba DE Szilárdtest Fizika Tanszék It If n X-sug. gyengülése It= I 0 e- (E)·x n Abszorpciós coeff. (E) If/I 0 Magyar Fizikus Vándorgyűlés 2016 - Szeged

EXAFS az abszorpciós együttható normált oszcilláló része mért abszorpciós együttható háttér: abszorpciós együttható a környező atomok hozzájárulása nélkül(számított) (E) = (E) - 0(E) Cserháti Csaba DE Szilárdtest Fizika Tanszék a lépcső magassága(E 0) Magyar Fizikus Vándorgyűlés 2016 - Szeged

X-ray-Absorption Fine Structure fotoelektron R 0 szóródott fotoelektron Cserháti Csaba DE Szilárdtest Fizika Tanszék Magyar Fizikus Vándorgyűlés 2016 - Szeged

(k) Fourier transzformáltja n Hasonló a radiális eloszlásfüggvényhez • • távolság legközelebbi szomszédok száma (nn. ) atom típus (kémiai rend) szerkezeti rendezetlenség Cserháti Csaba DE Szilárdtest Fizika Tanszék Magyar Fizikus Vándorgyűlés 2016 - Szeged

fotoelektron Az EXAFS egyenlet R 0 (k) = i i(k) szóródott fotoelektron ahol i(k) = ( (Ni. S 02)Fi(k) sin(2 k. Ri + i(k)) exp(-2 i 2 k 2) exp(-2 Ri/ (k)) k. Ri 2 ) Ri = R 0 + R k 2 = 2 me(E-E 0)/ ħ Elméletileg számított értékek Fi(k) effektív szórási amplitudó i(k) effektív fázistolás (k) közepes szabad úthossz R 0 kiindulási távolság Cserháti Csaba DE Szilárdtest Fizika Tanszék Illesztésből meghatározható paraméterek Ni útvonalak degeneráltsága S 02 passive electron reduction factor i 2 elmozdulás szórásnégyzete E 0 energia eltolódás R változás az átlagos távolságban Magyar Fizikus Vándorgyűlés 2016 - Szeged

II. b EXAFS mérések eredményei Co-Si and Ni-Si legközelebbi szomszéd távolság csökkent a hőkezelés során szilicid képződés Ni-Si Co-Si Cserháti Csaba DE Szilárdtest Fizika Tanszék Magyar Fizikus Vándorgyűlés 2016 - Szeged 19

II. b EXAFS mérések eredményei 1. Lineáris kombinációs illesztés 2. EXAFS profil illesztés (egyenlet) 1. kezdetben Ni/Si 2: 1 arányban 2. hőkezelés után Ni 2 Si R 0 ATHENA-ARTEMIS B. Ravel, M. Newville, J. Synchrotron Radiat. 2005, 12, 537 Cserháti Csaba DE Szilárdtest Fizika Tanszék Magyar Fizikus Vándorgyűlés 2016 - Szeged 20

II. b XRD + 4 WR mérés 10 -5 Pa, 462 K Cserháti Csaba DE Szilárdtest Fizika Tanszék Magyar Fizikus Vándorgyűlés 2016 - Szeged 21

GIXRF + EXAFS mérések eredményei Cserháti Csaba DE Szilárdtest Fizika Tanszék Magyar Fizikus Vándorgyűlés 2016 - Szeged 22

hordozó a-Si tükör(Ta) Ni Ni 2: Si 1 a-Si Ni 2: Si 1 tükór(Ta) a-Si Co Co: Si tükör(Ta) a-Si Idő(h) a-Si/fém fém/a-Si Ni-Si Co-Si Kül. 0 5. 4 6. 2 0. 8 4. 5 6 7. 1 1. 1 4. 75 6. 6 8. 1 1. 5 5. 5 6. 7 8. 5 1. 8 0 0 0. 9 1 0. 5 2. 0 3 1. 5 3. 5 2. 0 a vastagságok nm-egységben értendők GIXRF eredmények Gyorsabban növekszik! Cserháti Csaba DE Szilárdtest Fizika Tanszék Magyar Fizikus Vándorgyűlés 2016 - Szeged 23

IM vastagságának (W) változása Cserháti Csaba DE Szilárdtest Fizika Tanszék Magyar Fizikus Vándorgyűlés 2016 - Szeged

III. Szimuláció Egyenletek: Erdélyi, Z. , Schmitz, G. : Acta Materialia 2012; 60(4): 1807 – 1817. Cserháti Csaba DE Szilárdtest Fizika Tanszék Magyar Fizikus Vándorgyűlés 2016 - Szeged 25

Ni-Si CALPHAD Cserháti Csaba DE Szilárdtest Fizika Tanszék Magyar Fizikus Vándorgyűlés 2016 - Szeged

Bemenő paraméterek, kezdeti feltételek kezdőállapot Cserháti Csaba DE Szilárdtest Fizika Tanszék Magyar Fizikus Vándorgyűlés 2016 - Szeged a-Si Co: Si Ni 2: Si 1 Ni Ni 2: Si 1 a-Si Az elmosódott fázishatárok a magnetronos porlasztás során keletkeznek az un. dinamikus szegregáció miatt. Co a-Si n 27

Cserháti Csaba DE Szilárdtest Fizika Tanszék a-Si Co: Si Co a-Si III. Szimulációs eredmények Magyar Fizikus Vándorgyűlés 2016 - Szeged 28

Cserháti Csaba DE Szilárdtest Fizika Tanszék a-Si Ni 2: Si 1 Ni Ni 2: Si 1 a-Si III. Szimulációs eredmények Magyar Fizikus Vándorgyűlés 2016 - Szeged 29

IV. Konklúzió Az interfész vastagsága a kiinduló állapotban, valamint a keletkező intermetallikus fázisbeli nagy mobilitás együttesen határozza meg a fázis növekedési kinetikáját a kezdeti szakaszban. Ezek szerint a kiinduló interfészek szélessége (ami a dinamikus szegregáció miatt a különböző komponensek pakolási rendjétől is függhet), valamint az atomok diffuzivitásának változása (koncentrációfüggése) technológiai szempontból is fontos lehet. Cserháti Csaba DE Szilárdtest Fizika Tanszék Magyar Fizikus Vándorgyűlés 2016 - Szeged 30

Közreműködők n Erdélyi Z, Parditka B, Tomán J, Langer G, Jánosfalvi Zs, Daróczi L, Katona G n Csik A n I. Zizak, R. Feyerherm n G. Schmitz Szponzorok: Cserháti Csaba DE Szilárdtest Fizika Tanszék OTKA NF 101329, TAMOP 4. 2. 2. A-11/1/KONV 2012 -0036 és TAMOP-4. 2. 2/B-10/1 -2010 -0024 Magyar Fizikus Vándorgyűlés 2016 - Szeged 31

TEM/EDX a) b) 20 nm 40 nm as deposited 493 K 30 min