Periodisch angeordnete photochrome Dots für hochdichte optische Speicher

Ziel dieser Arbeit war es zum einen, den Entstehungsprozess molekularer Dots (Durchmesser einige 10nm bis einige 100nm) aus amorphen Aufdampfschichten zu klaren und uber die Wahl der geeigneten Herstellungsparameter eine moglichst grose Kontrolle uber die Dotbildung zu erhalten. Zum anderen sollte eine gleichformige Grose der Dots bei regelmasiger, periodischer Anordnung erhalten werden. Dots auf ebenem Substrat Dazu wurden zunachst Fulgid-Aufdampfschichten aus Ph-T-F mit verschiedenen Dicken auf ebenem Substrat hergestellt. Durch die Integration eines Dunkelfeldmikroskops in die Aufdampfanlage gelang es, die Dotentstehung in-situ vollstandig zu beobachten und den Verlauf fur verschiedene Herstellungsparameter zu vergleichen. Als verantwortlicher Prozess konnte die Entnetzung identifiziert werden. Dabei bilden sich bei Probentemperaturen ab 270K Locher in den Aufdampfschichten, die durch thermisch verursachte, sich selbst verstarkende spinodale Oberflachenfluktuationen und durch Nukleation an Keimen entstehen. Wahrscheinlich sind thermische Verspannungen in den Schichten als Keimzentren fur die Nukleation verantwortlich. Wahrend des Lochwachstums verursacht Kapillarinstabilitat in Verbindung mit mittelstarkem Rutschen des Wulstes (Slip) die Bildung von fingerartigen Strukturen. Die nach der vollstandigen Entnetzung erhaltenen Finger und wurmartigen Wulstsegmente zerfallen anschliesend aufgrund von Rayleigh-Instabilitat in Ketten von Dots. Die Analyse des Lochwachstumverlaufs, der Wulstform und –geschwindigkeit erlaubt es, Materialparameter wie Slipstarke (Sliplange b) und Viskositat η zu bestimmen. Die Sliplange betragt bei einer analysierten 21nm dicken Schicht b=67±23 nm und entspricht damit mittelstarkem Slip. Die Viskositat betragt η=(3,3±1,5) ·10^6 Pa s. Aus der Dotmorphologie und zusatzlichen Ellipsometrieexperimenten ergeben sich Werte fur die Oberflachenspannung σ und die Hamakerkonstante A. Diese betragen σ=26±3mN/m und A=(2,6±0,5) ·10^-20 J. Die in dieser Arbeit erreichte weitgehende Automatisierung der Aufdampfanlage erlaubt es, gezielt die Parameter bei der Probenherstellung (z.B. Aufdampfgeschwindigkeit, Schichtdicke, Aufwarmgeschwindigkeit, Flutdruck) zu variieren. So war es moglich, die Schichtdicke als den masgeblichen Parameter bei der Dotentstehung zu identifizieren. Durch Wahl der Schichtdicke lasst sich eine gewunschte Dot-Anzahldichte einstellen. Die Bildung der Dots ist gegenuber Variation der weiteren Parameter, wie Aufdampfgeschwindigkeit und Aufwarmverlauf, uber grose Bereiche robust. Auch die Dotbildung auf anderen Substraten (Halbleiter, Polymere) und fur andere Fulgidsubstanzen wurde erreicht. Fulgidschichten einiger Fulgidsubstanzen tendieren jedoch unter vergleichbaren Herstellungsbedingungen bei der Entnetzung zur Kristallitbildung und bilden nur mit geringer Ausbeute amorphe Dots aus. Strukturen auf topographisch vorstrukturiertem Substrat Durch die Einfuhrung topographisch vorstrukturierter Substrate gelingt es, die Kontrolle uber die regelmasige und gleichformige Anordnung von photochromen Dots zu erhalten. Dies konnte in Form von Dots verschiedener Grosen von d=420nm bis d=50nm mit Perioden D≈2d eindeutig demonstriert werden. Die Dotanzahldichte konnte beim dichtesten regelmasigen Muster gegenuber Dots auf ebenem Substrat auf das uber 370fache gesteigert werden (D=100nm entspricht 7,5∙10^10 Dots/inch ²). In einer moglichen Anwendung als optischer Datenspeicher sind dies 75Gbit/inch ², was der etwa 10fachen Speicherdichte der im vergangenen Jahr auf den Markt gekommenen HD-DVD entspricht. Position, Abstand und Grose der Dots kann uber die Vorstruktur des Substrats und der Fullgrad der Lochdots durch die aufgedampfte Schichtdicke vorgegeben werden. Dabei kann die Morphologie der Lochbefullung in Abhangigkeit vom Aspektverhaltnis x=h/d und vom Fullgrad F berechnet werden. Weiter konnte experimentell und theoretisch gezeigt werden, dass durch das Pinning der Kontaktlinie am oberen Lochrand die Lochdots dauerhaft stabil sind. Durch die gezielte Fertigung von Substraten mit verschiedenen weiteren Musterformen (Graben, Troge, Pfosten) konnten die grundlegenden Mechanismen von Flussigkeiten auf/in topographischen Stufen verstanden werden. Uber die zeitliche Entwicklung der Ausdehnung von Dot-Verarmungszonen am Rand des ebenen Substrats zur Vorstruktur lies sich eine erste Schatzung fur die Diffusionskonstante von Ph-T-F-Molekulen auf Quarzglas erhalten. Diese Betragt D=(1±0,3) ·10^-11cm²/s. Abschliesend konnte experimentell bestatigt werden, dass durch das Einbringen der Vorstruktur auch auf anderen Substrattypen und bei anderen Fulgidsubstanzen regelmasige Dotstrukturen erhalten werden. Limitierende Faktoren dabei sind nur die Materialviskositat und die Diffusionskonstante. Beide sind uber Temperaturerhohung zu beeinflussen. The aim of this work was to understand the process of molecular dot formation (diameters some 10nm to some 100nm) from amorphous evaporated films and to reach maximum control over dot formation by adjusting the preparation parameters. Further a uniform size of the dots ought to be obtained at a regular periodic arrangement. Dots on flat substrates First organic thin films of different thicknesses have been prepared on flat substrates by evapo-rating the fulgide Ph-T-F. The integration of a darkfield microscope into the evaporation cham-ber made it possible to observe in-situ the complete dot formation. This also helped to compare the dot formation for different preparation parameters. Dewetting of thin films was identified as the responsible process. Thereby holes develop in the films at sample temperatures above 270K, which are caused by self amplified thermal surface fluctuations and nucleation. Most probably thermal strain in the films acts as seed centers for nucleation During hole growth, capillary instability together with moderate slip of the rim results in finger-like structures. After complete dewetting of the films the generated fingers and worm-like rim segments disintigrate because of Rayleigh instability into chains of droplets. Analysis of the hole growth process, rimform and rim speed enables the extraction of material parameters like slip strength (slip length b) and viscosity η. Slip length amounts to b=67±23nm at a film thickness of h=21nm. Viscosity amounts to η=(3,3±1,5) ·10^6 Pa s. From dot morphology and additional ellip-sometry experiments the values for surface tension σ and Hamaker constant A were found to be σ=26±3mN/m and A=(2,6±0,5) ·10^-20 J. The extensive automation of the evaporation apparatus developed in this work permits to vary the parameters of sample preparation (e.g. evaporations speed, film thickness, warm-up speed, flood pressure) systematically. Thereby it was possible to identify film thickness as a decisive parameter for dot formation. By choosing the film thickness a designated dot number density can be achieved. Formation of dots is robust in wide ranges against variation of the further parame-ters like evaporation speed and warm-up characteristic. Dot formation on other substrates (semi-conductors, polymers) and for other fulgide substances (F-DCP-F, BN-I-F) were also success-fully realized. Fulgide films of some substances (e.g. F-F and F-Ad-F) tend to result in crystal-lites under comparable fabrication conditions, these generate dots with low yield only. On flat substrates uniform, regular and dense packed dot arrangements could not be achieved. Dots of varying sizes were always produced in random arrangement. Additionally the generated dots undergo Ostwald ripening, where the number density of dots reduces rapidly in the begin-ning but continues reduction over days and months. Structures on topographically structured subtrates By introducing topographically structured subtrates regular and uniform arrangement of photochromic dots were obtained. On substrates with cylindric holes in hexagonal pattern this could be demonstrated clearly by dots of different sizes fom d=420nm down to d=50nm with periods of D≈2d. Dot density could be increased by a factor of more than 370 at the highest densely packed pattern with respect to the dots on flat substrates (D=100nm corresponds to 7,5∙10^10 Dots/inch ²). In a possible application as optical memory this is equivalent to 75Gbit/inch ², which is an in-crease by a factor of 10 comparing to latest HD-DVD. Position, distance, and size of the dots can be defined by the pre-pattern of the substrate. Filling degree F can be defined by the evaporated film thickness. Thereby the morphology of hole fill-ing can be calculated dependent on aspect ratio x=h/d and on filling degree F. Furthermore it could be demonstrated experimentally and theoretically that hole-dots are longterm stable because of pinning of the fluid contact line at the upper hole border. By preparing thin films on substrates with different pattern forms (trenches, troughs, pillars) the principle mechanisms of fluids on/in structures could be understood. There resulted some further regular fulgide structures. On substrates with crossed thench pattern for example there develop dots on the crossings and if enough material is available also on centers of the flat surface between trenches. In several of these patterns (e.g. holes, trenches, pillars), structures could be identified as dewetting products. On trench pattern, a part of the dewetting process could be observed directly. By analysing the time development of the width of depletion zones (areas without dots) at the border between flat substrate areas and pre-patterned areas a first approximation for the diffusion constant of Ph-T-F molecules on quartz could be calculated. This amounts to D=(1±0,3) ·10^-11cm²/s.