FT-Infrarot- und dielektrische Spektroskopie an Porenkondensaten in mesoporösem Silizium

Abstract

Im Folgenden präsentieren wir die Ergebnisse der thermodynamischen und strukturellen Untersuchungen von n-Alkoholen im Bereich von Butanol bis Hexadekanol im bulk-Zustand und in porösem Silizium und Siliziumoxid mittels Infrarot- und dielektrischer Spektroskopie. Um die Auswirkungen verschiedener physikalischer Größen, insbesondere aber des Porenradius, auf die Phasenübergangstemperaturen und die Struktur in der Festphase beurteilen zu können, werden die porösen Wafer mittels Stickstoff-Sorptionsisothermen charakterisiert. Dabei beobachtet man eine Zunahme des Porenradius mit längerer Ätzzeit. Für dielektrische Messungen werden die porösen Wafer bei 900°C oxidiert. Als Resultate ergeben sich eine Zunahme des Probenvolumens, eine Abnahme der Porosität und unveränderte Porenradien. Von den Alkoholen sind zwei Kristallstrukturen bekannt, die orthorhombische beta- und die monokline gamma-Form. Obwohl die bulk-Alkohole eine monokline gamma-, beziehungsweise eine polykristalline Struktur aus beta- und gamma-Form ausbilden, führt das confinement zu einer Änderung der Struktur des Festkörpers der untersuchten Alkohole. Während die langkettigen Alkohole aufgrund der irregulären Struktur der Poren eine orthorhombische Form bevorzugen, zeigen die kurzkettigen Alkohole einen Übergang in die Glasphase. Die gemessenen Phasenübergangstemperaturen sind bei den Infrarot- und dielektrischen Messungen identisch. Bei den confinement-Messungen ist die Absenkung des Phasenübergangs dabei umso größer, je kleiner der Porenradius ist.

In the following we want to present the results of the thermodynamic and structural investigations of n-alcohols in the range of butanol and hexadecanol in its bulky state and confined in porous silicon and porous silicon oxide by infrared and dielectric spectroscopy. To be able to estimate the effects of characteristic, physical quantities of the porous layers, but especially the pore size, we determinate these quanities of the porous wafers by nitrogen sorption-isotherms. Thereby we get an increase in pore-radius with longer etching time. For dielectric measurements the samples get oxidized at 900°C. This results in an increase of sample volume, a decrease in porosity and unchanged pore-radii. Two different crystalline structures of the alcohols are known, an orthorhombic beta- and a monoclinic gamma-form. While bulk-alcohols show a monoclinic gamma- or rather a polycrystalline structure of beta- and gamma-form, confinement results in a change of the structure of the solid phase. While the long-chain alcohols prefer - because of the irregular shape of the pores - the orthorhombic beta-form, the short-chain alcohols do not crystallize but show a glass transition. The measured phase transition temperatures are equal for infrared and dielectric spectroscopy. For the confinement-investigations the lowering of the transition temperature increases with decreasing pore-radius.