Spektromikroskopische Analyse von Nukleationsdomänen in epitaktischen Diamantschichten auf Ir,SrTiO 3 und von präsolaren SiC-Meteoritenkörnern

Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei verschiedene Systeme untersucht, deren verbindende Gemeinsamkeit in den verwendeten ortsauflösenden, spektroskopischen Messmethoden der Oberflächenanalytik, wie z.B. abbildendes XPS, Röntgennahkanten-Photoemissionsmikroskopie (XANES-PEEM) und Augerspektroskopie (AES) liegt. Im ersten Teil der Arbeit wurden Diamant-Nukleationsdomänen auf Ir/SrTiO3 untersucht und mit vorherrschenden Modellen aus der Literatur verglichen. Die Nukleationsdomänen, wie sie im Mikrowellen-induzierten CVD Prozess unter Verwendung der BEN Prozedur (bias-enhanced nucleation) entstehen, bilden die „Startschicht“ für ein heteroepitaktisches Wachstum einer hoch orientierten Diamantschicht. Sie entwickeln sich aber unter Bedingungen, unter denen 3D-Diamant abgetragen und weggeätzt wird. Mittels XANES-PEEM Messungen konnte erstmals die lokale Bindungsumgebung des Kohlenstoffs in den Nukleationsdomänen ortsaufgelöst aufgezeigt werden und aus AES Messungen ließ sich die Schichtdicke der Nukleationsdomänen abschätzen. Es zeigte sich, dass die Nukleationsdomänen Bereiche mit etwa 1 nm Dicke darstellen, in denen der Übergang von eine sp2-koordinierte amorphen Kohlenstoff- zu einer Diamantschicht mit hohem sp3 Anteil abläuft. Zur Erklärung des Nukleationsprozesses wurde auf das „Clustermodell“ von Lifshitz et al. zurückgegriffen, welches um einen wesentlichen Aspekt erweitert wurde. Die Stabilität der Nukleationsdomänen gegen die Ätzwirkung des Nukleationsprozesses auf Volumendiamant wird durch eine starke Wechselwirkung zwischen dem Diamant und dem Iridiumsubstrat erklärt, wobei die Dicke von etwa 1 nm als Maß für die Ausdehnung dieses Wechselwirkungsbereichs angesehen wird. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Charakterisierung präsolarer SiC-Körner und darin eingeschlossener Spurenelemente. Neben den Hauptelementen Si und C wurden auch Spinelle wie Chromit (FeCr2O4), Korund (Al2O3) und auch verschiedene Spurenelemente (z. B. Al, Ba und Y) nachgewiesen. Ferner wurden XPS-Linien bei Energien nachgewiesen, welche sich den Seltenen Erden Erbium, Thulium und Dysprosium zuordnen lassen. Aufgrund von Abweichungen zur Literatur bzgl. der ausgeprägten Intensität der XPS-Linien, wurde als alternative Erklärungsmöglichkeit für verschiedene Signale der Nachweis von stark schwefelhaltigen Körnern (z.B. so genannte „Fremdlinge“) mit Aufladungen von mehreren Volt diskutiert. Es zeigt sich, dass abbildendes XPS und XANES-PEEM Methoden zur leistungsfähigen chemischen Charakterisierung von SiC-Körnern und anderer solarer und präsolarer Materie im Größenbereich bis herab zu 100 – 200 nm Durchmesser (z.B. als Grundlage für eine spätere massenspektrometrische Isotopenanalyse)darstellen.

In this PhD thesis two different systems have been investigated. The connecting similarities were the used lateral resolved spectroscopic methods of surface analysis as imaging XPS, X-ray near edge structure photoemission electron microscopy (XANES-PEEM) and Auger spectroscopy (AES). In the first part, nucleation domains of diamond on Ir/SrTiO3 have been investigated and results have been compared to theories from literature. The nucleation domains are formed in a microwave induced plasma CVD process during a BEN procedure. Bulk diamond is etched under BEN conditions, none the less the nucleation domains form the starting point for a highly orientated diamond layer, which starts to grow heteroepitaxially directly after the BEN procedure (bias-enhanced nucleation) is ended. The local binding structure of carbon within and outside of the domains was studied laterally resolved with XANES-PEEM and the thickness of the domains was evaluated from AES measurements. It could be shown that the nucleation domains have a thickness of approx. 1 nm and that within them a rearrangement of the carbon binding structure from the one of amorphous carbon with sp2 coordination to the structure of diamond with high sp3 content takes place. Many aspects of the nucleation process can be explained by the so called “cluster model” of Lifshitz et al. An additional explanation is given for the aspect of the nucleation stability during the BEN. It is believed, that the stability of the domains is due to an interaction between diamond and the iridium buffer layer and that the dimension of the area where interaction takes place corresponds to the thickness of the domains of 1 nm. The subject of the second part deals with the characterisation of presolar SiC grains and trace elements within them. Beside the main elements Si and C, also spinels as chromite (FeCr2O4), corundum (Al2O3) and also different trace elements (e.g. Al, Ba und Y) could be detected. Additional XPS lines at energies corresponding to the rare earth elements Erbium, Thulium and Dysprosium have been measured. Due to significant differences to literature data concerning the high intensity of the measured XPS signals, a second explanation for some of the measured XPS signals has been discussed. An alternative explanation has been given in form of sulphurous grains (e.g. so called “Fremdlinge”) which have charged up by several volts. It could be shown that imaging XPS and XANES-PEEM are valuable methods for a powerful chemical characterization of SiC grains as well as other solar and presolar material in the size range down to 100 – 200 nm. One aim for this characterisation is to increase the efficiency of mass spectroscopic analysis by selecting the most interesting grains out of a grain agglomeration