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Theoretical aspects of growth on one and two dimensional strained crystal surfaces . Theoretische Aspekte des Wachstums auf ein und zwei dimensionalen verzerrten Kristalloberflächen

by Schindler, Alexander

Abstract (Summary)
Elastic strain, which appears especially in heteroepitaxial growth, has an important effect on the resulting growth morphologies. To study this phenomenon, the strain dependence of the microscopic diffusion barriers were calculated for transition metals with fcc and bcc structure, using empirical many-body potentials. Two major trends were found: On the fcc(100) surface the barrier for the process of exchange diffusion is reduced with increasing isotropic tensile strain. On the other hand, the additional Ehrlich-Schwoebel barrier at the step edge is increased under tensile strain, as long as exchange diffusion is the preferred diffusion mode in the unstrained systems, as e.g. in the case of gold. Taking into account especially inhomogeneous strain at island borders due to relaxation effects, a careful analysis of microscopic properties, like diffusion barriers and binding energies, leads to the conclusion that the layer-by-layer growth of systems which prefer exchange diffusion should be improved under compressive strain. This conclusion was supported by kinetic Monte Carlo(KMC) simulations of a simplified system. In addition to Pt, Au, Ir and Al, which where expected to prefer diffusion by atomic exchange before, also Pb was found to be a potential candidate for this diffusion mode. Finally, comparing KMC simulations with experimental results for the homoepitaxial growth of Fe/Fe(110), it was shown that the barriers obtained from empirical many body potentials can be successfully used as input parameters for such simulations. The important details of in-situ scanning tunneling microscope pictures were reproduced by the KMC calculations. Elastische Verzerrungen, die insbesondere bei heteroepitaktischem Wachstum auftreten, wirken sich wesentlich auf die entstehenden Oberflächenmorphologien aus. Um dieses Problem zu studieren, wurde mit Hilfe empirischer Vielteilchenpotentiale eine Reihe mikroskopischer Diffusionsbarrieren und deren Verzerrungsabhängigkeit für Übergangsmetalle mit kubisch-flächen- wie auch kubisch-raumzentrierter Struktur berechnet. Dabei wurden zwei wesentliche Trends gefunden. Generell nimmt die Barriere für einen Austauschprozess auf der (100) Oberfäche des kfz-Gitters unter isotroper Zugspannung ab. Andererseits nimmt die sog. Ehrlich-Schwoebel Barriere am Inselrand unter Zugspannung zu, falls das betrachtete Material, wie z.B. Gold, im unverzerrten Zustand den Austauschprozess gegenüber einem Hüpfprozess bevorzugt. Sonst nimmt sie unter Zug ab. Eine sorgfältige Analyse der Verzerrungsabängigkeit der verschiedenen Diffusionsbarrieren und der Bindungsenergien, insbesondere unter Berücksichtigung von inhomogenen Verzerrungen auf Grund von Relaxationsprozessen an Inselrändern, führt zu der Schlussfolgerung, dass das Lagenwachstum von Systemen, die Austauschdiffusion bevorzugen, unter Druckspannung optimiert werden kann. Diese Erwartung konnte durch kinetische Monte Carlo(KMC)Simulationen eines vereinfachten Systems gestützt werden. Zusätzlich zu Pt, Au, Ir und Al, von denen man bereits erwartet, dass sie Diffusion durch einen Austauschprozess bevorzugen, wurde auch für Pb eine niedrigere Austauschbarriere im Vergleich zum Hüpfprozess gefunden. Abschließend wurde in einem Vergleich von KMC Simulationen mit experimentellen Ergebnissen für das homoepitaktische Wachstum von Eisen auf der krz (110) Oberfläche gezeigt, dass in diesem Fall die mit Hilfe empirischer Potentiale gewonnenen Barrieren sich gut als Eingangsparameter für solche Simulationen eignen. Wesentliche Details von in-situ Rastertunnelmikroskop-Aufnahmen des betrachteten Systems finden sich in den Ergebnissen der KMC Berechnungen wieder.
Bibliographical Information:

Advisor:Wolf, D.E.; Prof. Dr.

School:Universität Duisburg-Essen, Standort Essen

School Location:Germany

Source Type:Master's Thesis

Keywords:physik astronomie gerhard mercator universitaet

ISBN:

Date of Publication:05/21/2001

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