Elektromigration in Gold und Silber Nanostrukturen

2. Grundlagen
2.1 Kräfte bei der Elektromigration
Als Elektromigration bezeichnet man den strominduzierten Massetransport in metal-
lischen Festkörpern. Dabei wirkt eine effektive Kraft auf die Atome, so dass die zu-
vor ungerichtete, thermisch aktivierte Diffusion eine Vorzugsrichtung erhält. Für die
effektive Kraft unterscheidet man zwischen der Windkraft, welche üblicherweise von
den Leitungselektronen hervorgerufen wird, und der direkten Kraft, die vom angelegten
elektrischen Feld auf die Metallionen des Kristalls einwirkt. Das Konzept der Windkraft
geht auf eine Idee von Skaupy aus dem Jahre 1914 zurück (siehe Zitate in [1]) welche
einen Impulsübertrag der Ladungsträger auf die Atomrümpfe des Festkörpers beschreibt.
Bezüglich der direkten Kraft gab es eine lange kontroverse Diskussion. Aufgrund der
elektronischen Abschirmung sollte es zu keiner effektiv wirkenden Kraft kommen (siehe
z. B. [101] und die darin enthaltenen Zitate von Bosvieux und Friedel). Nimmt man hin-
gegen an, dass keinerlei Abschirmung existiert, ist die direkte Kraft proportional zum
makroskopischen elektrischen Feld. Mittlerweile scheint es gesichert zu sein, dass eine
direkte Kraft existiert [101,102]; deren Stärke ist aber weiterhin ungeklärt.
Wie diese Kräfte in einem (metallischen) Festkörper wirken, ist schematisch in Abb.
2.1 dargestellt. Die Elektronen bewegen sich entgegen der (technischen) Stromrichtung
und führen mit den Atomrümpfen inelastische Stöße aus. Dadurch kommt es zu einem
Impulsübertrag, welcher sich in der Windkraft ZW äußert und das mit ”+” gekennzeich-
nete Ion bewegt sich in die Leerstelle. Die Leerstelle befindet sich damit an der zuvor
vom Ion eingenommenen Position (in Abb. 2.1 links oben) und ist damit entgegen der
Richtung der Elektronen gewandert. Die direkte Kraft ZD zieht die positiv geladenen
(-)
Windkraft Z W
e -
e -
e -
+ +
+ + +
+ + +
elektrisches Feld
direkte Kraft Z D
e -
e -
e -
(+)
Abb. 2.1: Schematische Darstellung der Kräfte, welche auf die Atomrümpfe innerhalb eines
Metalls wirken.
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