Electric-field-induced low temperature oxidation of metal and semiconductor nanostructures

An der Oberfläche nahezu aller Metalle und Halbleiter erfolgt Oxidbildung, sobald sie der Umgebungsatmosphäre ausgesetzt werden. Die Oxidationsreaktion verläuft dabei über eine Vielzahl von Teilschritten, an denen in der Regel geladene Spezies beteiligt sind. Unter dem Einfluss elektrischer Felder ändert sich daher die Triebkraft für die Oxidbildung und damit die Reaktionskinetik. Besonders ausgeprägt ist dieser Effekt bei freien, nanoskaligen Systemen, denn an ihrer stark gekrümmten Oberfläche treten bereits beim Anlegen moderater Spannungen elektrische Felder mit Feldstärken von einigen V/nm auf.Schwerpunkt dieser experimentellen Arbeit ist die Charakterisierung des Einflusses elektrischer Felder auf das Oxidationsverhalten freistehender, nanoskaliger Spitzen. Die Untersuchungen wurden an den Modellsystemen Wolfram, Aluminium und Silizium durchgeführt. Sauerstoff wurde in Form von H2O und O2 angeboten, und die Oxidationsreaktion erfolgte bei einer Temperatur von 296K. Es konnte gezeigt werden, dass sich das Oxidationsverhalten nanoskaliger Spitzen unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes gegenüber dem feldfreien Fall drastisch ändert, sofern H2O für die Reaktion zur Verfügung steht. Dabei existiert eine kritische Feldstärke, oberhalb derer feldinduzierte Oxidation beobachtet wird. Die kritische Feldstärke weist eine deutliche Abhängigkeit vom Partialdruck des H2O auf und liegt im Bereich einiger V/nm. Unterhalb der kritischen Feldstärke ist die Oxidationsreaktion kinetisch gehemmt. Aus einer Betrachtung der Teilschritte der Oxidationsreaktion kann abgeleitet werden, dass eine Reaktion von H2O an der Oxid-Dampf-Grenzfläche geschwindigkeitsbestimmend für die feldinduzierte Oxidbildung ist.Ein Vergleich des Oxidationsverhaltens der untersuchten Modellsysteme zeigt, dass feldinduzierte Oxidation offenbar ein universeller, materialunabhängiger Vorgang ist. Durch die kritische Feldstärke ist dabei der Bereich der kinetische Stabilität gegenüber Oxidation festgelegt und somit eine Grenze für den Einsatz von Nanostrukturen gegeben.At the surface of almost all metals and semiconductors oxide formation occurs when exposed to atmosphere. The oxidation reaction proceeds along a number of partial reaction steps with the reacting species usually being charged. Thus, electric fields change the driving force and therefore the kinetics of the reaction. This effect occurs very pronounced at free-standing nanoscale objects, since their strongly curved surface yields electric fields of the order of volts per nanometer even if only moderate voltages are applied.This experimental study focuses on the characterisation of the influence of electric fields on the oxidation behaviour of free-standing nanoscale tips. Tungsten, aluminium and silicon where used as model systems. Oxygen was provided as H2O or as O2, and experiments where carried out at a temperature of 296K. It is shown that the oxidation behaviour of nanoscale tips under the influence of an electric field changes dramatically if H2O is available for the reaction. There exists a critical electric field above which field-induced oxidation is observed. The critical field strength is of the order of some volts per nanometer and shows a specific dependence on the partial pressure of H2O. Below the critical field strength the oxidation reaction is kinetically hindered. A detailed investigation of the partial reaction steps reveals that a reaction of H2O at the oxide-vapour-interface is rate limiting for field-induced oxidation.Comparing the oxidation behaviour of the investigated model systems, it is concluded that field-induced oxidation is an universal, material independent effect. The critical field strength determines the region of kinetic stability against oxidation and thus gives a restriction for nanostructure applications