Verlag des Forschungszentrums Jülich

JUEL-3981
Dahmen, Klaus
Induzierte Spannungen an Einkristalloberflächen
IV, 118 S., 2002

Änderungen der Oberflächenspannung Δτ(s) können anhand der Verbiegung dünner Einkristallplatten studiert werden. Mit dieser sogenannten Biegebalkenmethode wird aus einer Plattenverbiegung unter Verwendung der Elastizitätstheorie die Oberflächenspannungsänderung Δτ(s) bestimmt. Für elastisch isotrope Substratmaterialien sind die zugehörigen Gleichungen bekannt, die hier auf elastisch anisotrope Kristalle mit mindestens einer C-Symmetrie erweitert werden. Zudem werden in dieser Arbeit Gleichgewichtsformen von Kristallplatten mit (100)-, (110)- oder (111)-Oberflächen numerisch berechnet, die entlang einer Kante eingespannt sind und mit einer homogenen aber reinen isotropen oder anisotropen Oberflächenspannung belastet sind. Durch die Einspannung verursachte Störungen werden mit dem Korrekturfaktor beschrieben der mit Dimensionalität bezeichnet wird. Mit den tabellierten Dimensionalitäten können die Biegebalkenexperimente genau ausgewertet werden.

Diese Ergebnisse werden auf Biegebalkenmethoden zur Bestimmung von magnetoelastischen Spannungen in dünnen Schichten übertragen. Es wird gezeigt, welche magnetoelastischen Konstanten in Domänen geordneter Überstrukturen auf der (100)-, oder (111)-Oberfläche mit dieser Methode bestimmt werden können. Zudem wird der Einfluss von Domänenwänden abgeschätzt.

Darüber hinaus werden Eigenformen und Eigenfrequenzen von einseitig eingespannten Platten numerisch berechnet. Daraus ergeben sich genaue Einsichten zur Bedeutung der elastischen Anisotropie.

Auf der Molybdän (110)-Oberfläche wird die durch Adsorption von Sauerstoff induzierte Oberflächenspannung Δτ[OOl] und Δτ[110] entlang der Hauptkristallrichtungen bestimmt. Es wird eine Spannungsanisotropie der p(2 x 2)-Rekonstruktion nachgewiesen.

Lithium erzeugt auf der Molybdän (110)-Oberfläche einen Anstieg der Oberflächenspannung bis zu einer Bedeckung von Θ = 0,3 ML. Bei höheren Bedeckungen bis zu einer Monolage fällt die induzierte Oberflächenspannung ab und erreicht bei einer Monolage einen Wert kleiner -1,2N/m.

Es wird gezeigt, dass die induzierte Spannung von Kobalt auf der Kupfer (100)-Oberfläche linear mit der Bedeckung ansteigt und eine Spannung von 2,4GPa erzeugt.

Durch Ionenbeschuss induzierte Spannungen wurden an der Kupfer (100)-Oberfläche nachgewiesen. Die Edelgase Argon, Neon und Helium erzeugen in einem Energiebereich zwischen 800 - 2200 eV eine Druckspannung (Δτ(s) < 0) von einigen N/m. Die zeitliche Entwicklung der beschussinduzierten Spannung wird durch ein einfaches Modell beschrieben.

Changes of the surface stress Δτ(s) can be studied by observing the bending of thin crystalline plates. With this cantilever method one can gain the induced change of surface stress Δτ(s) from the bending of plates with the help of elasticity theory. For elastic isotropic substrates the relevant relations are known. Here the relations are generalized to elastic anisotropic krystals with a C-Symmetry. The equilibrium shapes of crystalline plates oriented along the (100)-, (110)-, or (lll)-direction which are clamped along one edge are calculated with a numeric method under the load of a homogeneous but pure isotropic or anisotropic surface stress. The results can be displayed with the dimensionality, so that the effect of clamping can be described in a systematic way. With these tabulated values one can evaluate cantilever experiments exactly.

These results are generalized to cantilever methods for determining magnetoelastic constants. It is shown which magnetoelastic constants are measured in domains of thin films with ordered structures.

The eigenshape and the eigenfrequency of plates constraint through a clamping at one side are calculated. These results give a deeper understanding of the elastic anisotropy. The induced surface stress of oxygen on the (110)-surface of molybdenum is measured along the principle directions Δτ[OOl] and Δτ[110] .The anisotropy of the surface stress is found for the p(2 x 2)-reconstruction.

Lithium induces a tensile surface stress on the Molybdenum (110)-surface up to a coverage of Θ = 0,3 monolayer. For a higher coverage the induced stress drops and reaches a level of less than -1,2N/m at one monolayer.

It is shown, that cobalt induces a linear increasing stress with respect to the coverage on the (100)-surface of copper with a value of 2,4GPa.

The copper (100)-surface is bombarded with accelerated ions in the range between 800- 2200 eV. The resulting induced compressive stress (Δτ(s) < 0) of the order of several N /m is observed as a function of time for Argon, Neon and Helium. The evolution of the induced surface stress is described with a simple model.

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Letzte Änderung: 07.06.2022