Neue Wege zur Kontrolle der Eigenschaften von Nanomaterialien bei Elektronenstrahl-induzierter Abscheidung

Die Abscheidung von Nanostrukturen durch einen fokussierten Elektronenstrahl (Focused Electron Beam Induced Deposition, FEBID) ist eine relativ neue Methode, die auf der Elektronen-induzierten Zersetzung von metallorganischen Präkursoren auf Oberflächen basiert. Idealerweise sollten dabei reine Metallstrukturen an den Stellen entstehen, die von dem fokussierten Elektronenstrahl getroffen werden. In der Realität steht der FEBID-Prozess jedoch vor diversen Herausforderungen, da oft unreine Deponate entstehen oder die räumliche Kontrolle durch thermische Reaktionen wie autokatalytisches Wachstum (AW) beeinträchtigt wird.
Durch die Verwendung von NH3 als Ligand oder Prozessgas im FEBID-Prozess können viele dieser Herausforderungen adressiert werden. NH3 zersetzt sich effizient unter dem Elektronenstrahl, wobei reaktive Spezies wie atomarer Wasserstoff oder NH2⦁-Radikale gebildet werden. Solche Spezies können beispielsweise verwendet werden, um Cl-haltige Abscheidungen aufzureinigen. Außerdem kann kohlenstoffhaltiges Material durch Elektronen-induzierte Reaktionen von NH3 modifiziert werden. Metallische Abscheidungen mit einem hohen C-Gehalt sind potentielle Materialien für Feuchtigkeitssensoren, deren Funktion auf dem Tunneleffekt basiert. Jedoch bindet H2O nur schwach an das unpolare Material. Polare Bindungsstellen könnten die Sensitivität solcher Sensoren verbessern. In dieser Arbeit wurde daher untersucht, wie effizient stickstoffhaltige Gruppen durch Elektronenbestrahlung in Anwesenheit von NH3 in kohlenstoffhaltige Abscheidungen eingebaut werden und wie sich der Einbau auf die Desorptionstemperatur von H2O auf solchen Abscheidungen auswirkt. Es wurden erfolgreich C-N-Bindungen gebildet, wobei sich die H2O-Desorption mit zunehmendem N-Gehalt der Abscheidungen zu höheren Temperaturen verschob. Durch Studien zur Elektronen-induzierten Reaktion von Ethan und Ethen mit NH3 konnte die Bildung von NH2⦁-Radikalen durch Elektronenstoß-Ionisation und anschließenden Protonentransfer als auslösender Mechanismus für die Hydroanimierung gesättigter und ungesättigter Kohlenwasserstoffe identifiziert werden.
NH3 kann im FEBID-Prozess auch als Inhibitor für das AW von Fe aus Fe(CO)5 verwendet werden, was jedoch den Fertigungsprozess beeinflusst. Einfacher wäre die Verwendung von Präkursoren, die ähnlich reine Abscheidungen bilden, ohne zum AW zu neigen. Daher wurde der heteroleptische Präkursor Tetracarbonyleisen(η2-Methyacrylat) (Fe(CO)4MA, MA = Methylacrylat, H2C=CH–COOCH3) in Experimenten, die dem FEBID Prozess bei Raumtemperatur und kryogenen Temperaturen ähneln, mit Fe(CO)5 verglichen. Es wurden ähnliche Ergebnisse für beide Präkursoren erhalten, die auf eine effiziente Trennung des MA-Liganden vom Präkursor hindeuten. Experimente zum AW auf Abscheidungen aus Fe(CO)5 zeigten, dass sich Fe(CO)4MA thermisch weniger effizient zersetzt und daher ein potentieller Präkursor ist, um AW zu unterdrücken.