Analyse von atomaren oder molekularen Monolagen

Monolagen (engl. Monolayer) sind aus Atomen, Molekülen oder Zellen bestehende, dünne Einzelschichten auf einer Oberfläche. Durch ihre besonderen Eigenschaften sind Monolagen in nahezu allen Hochtechnologiebereichen von großem Interesse.

In der Halbleiterindustrie werden bereits heute Schichten aus wenigen atomaren Monolagen zur Herstellung von schnell schaltenden Transistoren genutzt. Die vom Mooreschen Gesetz prognostizierte Verkleinerung der Transistorstrukturen erfordert in den kommenden Jahren eine weitere Annäherung an die Abscheidung atomar scharfer Monolagen. Daher werden Verfahren wie die chemische Gasphasenabscheidung (Chemical Vapour Deposition (CVD)) und die Atomlagenabscheidung (Atomic Layer Deposition (ALD)) intensiv erforscht und weiterentwickelt, um zukünftig qualitativ hochwertige, atomare Monolagen mit Dicken von ca. 0,3 nm pro Lage abscheiden zu können.  

Von hohem Interesse sind aber auch molekulare Monolagen-Schichten. Diese Monolagen können durch selbstorganisierende Monoschichten (engl. self-assembled monolayer, SAM) aus Thiol- oder Silanlösungen hergestellt werden und sind bereits heute als langlebiger Anlaufschutz von Edelmetalloberflächen oder zur Funktionalisierung von Elektroden im Bereich der Sensorik oder Nanoelektronik in Gebrauch. Neben der selbstorganisierenden Abscheidung von Monolayern können hochgeordnete, molekulare Monoschichten aber auch durch die Langmuir-Blodgett-Technik (LB-Technik) hergestellt werden. Hierbei wird mit Hilfe einer sogenannten Filmwaage eine geordnete amphiphatische Molekülschicht erzeugt und auf ein geeignetes Festkörpersubstrat übertragen. Die auf diese Art hergestellten molekularen Filme werden u.a. als Antireflexionsschichten, bei der Herstellung organischer Halbleiterelemente, als Bestandteil von Biosensoren und als Modelle biologischer Membranen eingesetzt.

Für die Analytik an Monolagen halten wir im Labor der Tascon verschiedene Analysemethoden vor. So nutzen wir etwa die LEIS Analytik, um die Geschlossenheit und mittlere Schichtdicke von atomar abgeschiedenen Monolagen (ALD-Schichten) zu bestimmen. Die REM Analytik kann hingegen eingesetzt werden, um die Ordnung organischer Monolagen (Packungsdichte, Domänenbildung, …) zu prüfen. Das ToF-SIMS Verfahren dient zudem zur Identifizierung der in einer molekulare Monolage eingesetzten Moleküle oder kann als temperaturprogrammierte SIMS (Temperature Programmed SIMS (TP-SIMS)) zur Beurteilung der mittleren Bindungsenergie eines organischen, kovalent gebundenen Monolayers an die Oberfläche genutzt werden. Durch ToF-SIMS Analysen kann aber auch die laterale Verteilung organischer Monolagen auf einer Oberfläche bildgebend erfasst werden, wie folgendes Beispiel zeigt: