Solid-state Physics (Council of Physical Sciences)
100 %
Panel
Physics 1
Department or equivalent
Department of Solid State Physics (University of Debrecen)
Participants
Cserháti, Csaba Erdélyi, Zoltán
Starting date
2006-01-01
Closing date
2008-12-31
Funding (in million HUF)
4.450
FTE (full time equivalent)
0.09
state
closed project
Summary in Hungarian
A pályázatban nanoszerkezetekben előforduló csökkenő méreteknek a szilárdtest diffúziós folyamatokra gyakorolt hatásait fogjuk vizsgálni. Ehhez a diffúziós jelenségek három alaptípusát fogjuk vizsgálni: • Határfelületeken átfolyó diffúziós áramok fémes illetve félvezető bi- és multirétegekben. • Diffúzió megfelelő hordozókra leválasztott gömbszerű nanorészecskékben valamint nanoszigetekben • Diffúzió különféle hordozókon lévő nanoszigetek között. A következő jelenségeket fogjuk különös hangsúllyal vizsgálni: • Hogyan befolyásolja a bi- illetve multirétegekben lévő határfelületek alakját és mozgását a mechnaikai feszültségek és/vagy a kristályosság foka a kezdeti stádiumban amikor anomális viselkedést lehet várni nanoskálán • Olyan kétalkotós fém rendszerekben, amelyek térfogati mintáiban Krikendall-effektus figyelhető meg, vizsgáljuk, hogy ez hogyan változik meg, ha változtatjuk a nanorészecskék méretét, és azt hogy milyen feltételek mellet lehet a Kirkendall-effektus kihasználásával üreges nanorészecskéket előállítani. • Hogyan változik az Osztwald-érési folyamat, ha a nanorészecskék laterális elrendezését hatszög szimmetriájú rendezettről rendezetlenre változtatjuk. • Mi befolyásolja a különféle hordozókra ionsugaras módszerekkel leválasztott nanoszigetek nedvesítési tulajdonságait, és hogyan lehet ezáltal metastabil nedvesítést létrehozni. A programot szoros kooperációban fogjuk megvalósítani Prof. P. Ziemann (Ulm, Germany, Department of Solid State Physics, Univesity of Ulm/Germany) csoportjával egymást kiegészítő minta-preparációs, elméleti és kísérleti módszereket alkalmazva. Az ulmi csoport a nanorészecskékre fog koncentrálni, valamint a multirétegek bizonyos tulajdonságaira, míg a debreceni csoport a kísérletekben elsősorban multirétegeken fog dolgozni, valamint a diffúziós folyamatok szimulációjában szerzett tapasztalatait fogja hasznosítani.
Summary
The scientific goal of the proposal is to study the effect of constrained dimensions as provided by various solid state nanostructures on diffusion processes. For this purpose, three basic types of diffusion phenomena will be studied: • Diffusion currents accross interfaces of metallic or semiconducting bi- and multi-layers. • Diffusion within metallic spherical nanoparticles and nanoislands deposited onto suitable substrates. • Diffusion between metallic nanoparticles on various substrates. Within these three topics, emphasis will be put on the following questions: • How are mechanical stress and/or the degree of crystallinity of bi- or multi-layers influencing the shape and shift of interfaces at the initial stage, i.e. on the nanometer scale for which an anomalous behaviour has been predicted. • Addressing binary metallic systems which exhibit the Kirkendall effect in bulk samples, how is this phenomenon changed in corresponding nanoparticles as a function of their size, and, under what conditions can hollow nanoparticles be prepared exploiting the Kirkendall effect. • How is Ostwald ripening influenced by the lateral arrangement of the involved nanoparticles when changing this arrangement from highly hexagonally ordered to statistical arrays. • What influences the dewetting behavior of nanoislands deposited onto different substrates by ion assisted techniques thereby obtaining metastable wetting. This working program will be addressed in close cooperation with the group of Prof. P. Ziemann (Ulm, Germany, Department of Solid State Physics, Univesity of Ulm/Germany) applying complementary methods. The group at Ulm will focus on experiments related to the behavior of nanoparticles as well as certain aspects of multilayers, while the group at Debrecen contributes their theoretical expertise in the field of simulating diffusion processes and, experimentally, will investigate multilayers.
Final report
Results in Hungarian
Megmutattuk, hogy Si-nak amorf Ge-ba történő beoldódásakor a kezdetben éles határfelület éles marad és eltolódása nem követi a parabolikus törvényt. Az eltolódást az x~tk hatványfüggvénnyel illesztve azt kaptuk, hogy a k kinetikai exponens értéke kezdetben 0.7 és hosszabb idő után átmegy a parabolikusnak megfelelő 0.5 értékbe. Ez összhangban van korábbi szimulációs eredményünkkel és első kísérleti indikáció az átmenet megfigyelésére. Hasonló elrendezésben vizsgáltuk Si beoldódását egykristály Ge-ba és azt kaptuk, hogy a kinetikai exponensek értéke nagyobb mint amorf esetben (0.9) jelezve, hogy itt erőseb a diffúziós aszimmetria. Vizsgáltuk továbbá hidrogénezett amorf Si-Ge multirétegekben a diffúziós hőkezelések során fellépő szerkezeti változásokat, és azt is megállapítottuk, hogy a diffúziós keveredés lassúbb a hidrogén tartalmú mintákban. Szigetes Cu illetve Ni részecskéket hoztunk létre kerámia hordozókon és vizsgáltuk gömbi, vagy félgömbi geometriában az oxidáció hatását (létre jönnek-e Kirkendall-eredetű üregek, vagy sem). A kísérleteket most terjesztjük ki hasonló geometriában szilárdtest reakciók vizsgálatára. Szimulációkat végeztünk arra vonatkozóan, hogy a klasszikus nukleációs és növekedési folyamatban, a kritikus nukleációs sugár hogyan függ a diffúziós aszimmetria paramétertől és azt kaptuk, hogy értéke akár egy nagyságrenddel is lecsökken (a szimmetrikus diffúziós esethez viszonyitva), ha diffúzió jóval gyorsabb a mátrixban mint a kiválásban.
Results in English
We have shown that for the dissolution of Si into amorphous Ge. The initially sharp interface remains sharp and shifts by a non parabolic kinetics. Fitting the shift by a x~tk power function it was obtained that at the beginning the values of k kinetic exponents were 0.7, and after longer annealing times it goes gradually to the 0.5 value which corresponds to parabolic kinetics. This is in accordance with our previous result obtained from computer simulations. In a similar arrangement the dissolution of Si into crystalline Si was also carried out and it was obtained that the k was larger in this system (0.9) indicating that here the diffusion asymmetry is larger. Structural changes in hydrogenated Si/Ge multilayers were also carried out it was possible to conclude that the diffusion intermixing is slower in samples hydrogenated samples. Beaded Cu and Ni films were produced on ceramic substrates and the effect of oxidation on the spherical or semi-spherical particles was investigated (whether Kirkendall voids are formed or not). The experiments are extended for investigation of solid-state reaction on similar geometry. We have carried out simulations for the critical nucleus size in a classical nucleation and growth process and it was obtained if the diffusion is much faster in the matrix than in the precipitate, the critical size can be even one order of magnitude smaller as compared to the case when the diffusion asymmetry is neglected.
C. Cserh´ati, Z. Balogh, Gy. Glod´an, A. Csik, G.A. Langer, Z. Erd´elyi, D.L. Beke,I. Zizak, N. Darowski, E. Dudzik, R. Feyerherm: Linear growth kinetics of nanometric silicides in Co/amorphous-Si and Co/CoSi/amorphous-Si thin films, Journal of Applied Physics, 195, 1-1-1-6, 2008
C. Frigeri, M. Serényi, A. Csik, Z. Erdélyi, D. L. Beke, L. Nasi: Structural modifications induced in hydrogenated amorphous Si-Ge multilayers by heat treatments, J. of Mat. Sci.: Mater Electron, 19, S289-293, 2008
Z. Balogh, Z. Erdélyi, D. L. Beke, G.A. Langer, A. Csik, H-G. Boyen,U. Wiedwald, P. Ziemann, A. Portavoce, C. Girardeaux: Transition from anomalous kinetics towards Fickian diffusion for Si dissolution into amorphous Ge, Appl. Phys. Letters, 92, 143104, 2008
A. Csik, M. Serényi, Z. Erdélyi, A. Nemcsics, C. Cserháti, G.A. Langer, D.L. Beke, C. Frigeri, A. Simon: Investigation of thermal stability of hydrogenated amorphous Si/Ge multilayers, Vacuum, nyomdában, 2009
C. Frigeri, C. Nasi, M. Serényi, A. Csik, Z. Erdélyi, D.L. Beke: AFM and TEM study of hydrogenated sputtered Si/Ge multilayers, Supperlattices and Microstructures, nyomdában, 2009
Z. Erdélyi , D.L. Beke, G.A. Langer, A. Csik, C. Cserháti, Z. Balogh: Interface kinetics and morphology on the nanoscale, X-ray Spectroscopy, 2009
