Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Multi-Spitzen-Rastertunnelmikroskop liefert neuen Wert für den Oberflächenwiderstand von Silizium

04.08.2015

Silizium ist das mit Abstand am weitesten verbreitete Material in der Halbleiterindustrie. Doch seine elektronischen Eigenschaften sind immer noch nicht vollständig erforscht. An seiner Oberfläche leitet es den elektrischen Strom bis zu tausendmal besser als im Inneren. Wie gut genau, haben Jülicher Wissenschaftler nun mit bislang unerreichter Genauigkeit erfasst. Für ihre Messung der Oberflächenleitfähigkeit verwendeten sie ein speziell ausgerüstetes Rastertunnelmikroskop mit vier Spitzen. Der ermittelte Wert steht im Einklang mit aktuellen Ergebnissen, während ältere Messungen sich um mehrere Größenordnungen voneinander unterschieden.

Wie viele andere Materialien auch, weist Silizium an seiner Oberfläche ganz besondere Eigenschaften auf. Sie gewinnen umso mehr an Bedeutung, je kleiner der Körper wird. Denn die Oberfläche wird dann im Verhältnis zum Gesamtvolumen immer größer. Aus diesem Grund rücken die speziellen Eigenschaften der Oberfläche insbesondere in der Nano- und Halbleitertechnologie in den Fokus, bei denen der Trend zu immer kleineren Elektronikbauteilen führt.


Multi-Spitzen-Mikroskop zur Messung elektronischer Eigenschaften

Copyright: Forschungszentrum Jülich


Rastertunnelmikroskop-Aufnahme der (7x7)-Oberfläche von Silizium

Copyright: Forschungszentrum Jülich

„Bisher hat man Oberflächenstrukturen im Nanobereich in erster Linie nur abgebildet. Aber ich bin fest überzeugt davon, dass es in Zukunft immer wichtiger wird, nicht nur die Struktur, sondern auch die elektronischen Eigenschaften der Oberfläche zu erfassen“, betont Bert Voigtländer, Professor am Jülicher Peter Grünberg Institut (PGI-3).

Doch die Messung der grundlegenden elektronischen Oberflächeneigenschaft, der Oberflächenleitfähigkeit, ist alles andere als einfach. Bislang war es kaum möglich, den gemessenen elektrischen Strom, der über die Oberfläche fließt, sauber vom Stromfluss durch das Innere des Materials zu trennen. Entsprechend stark streuten die Messergebnisse in den letzten 20 Jahren. Die ermittelten Werte für die sogenannte (7x7)-Oberfläche von Silizium wichen um bis zu vier Größenordnungen voneinander ab.

Bei dieser vielfach wissenschaftlich untersuchten Oberflächenstruktur ordnen sich die Atome am Rand des Siliziumkristalls aufgrund der nach außen hin abgeschnittenen Bindungen in einem Muster aus dreieckigen Zellen an.

Mithilfe eines neuen Instruments konnten die Jülicher Wissenschaftler nun mit bislang unerreichter Genauigkeit messen, dass die Leitfähigkeit dieser Schicht etwa tausendmal höher ist als die einer entsprechenden Schicht im Innern des Siliziumkristalls. Die von ihnen ermittelte Oberflächenleitfähigkeit von 9 Mikrosiemens liegt in etwa in der Mitte zwischen typischen Werten für Halbleiter und Metalle. Das Ergebnis deutet in die gleiche Richtung wie die letzten Ergebnisse, die Forschungsgruppen in den Jahren 2009 und 2014 veröffentlicht hatten.

Neues Multimeter für die Nanowelt

Für ihre Experimente verwendeten die Wissenschaftler um Bert Voigtländer ein Rastertunnelmikroskop mit mehreren Spitzen, das sie speziell für die Messung der elektronischen Eigenschaften entwickelt haben. „Man kann sich das vorstellen wie ein Multimeter, also ein Gerät zur Strom- und Spannungsmessung, nur auf der Nanoskala“, erläutert Voigtländer. In der Ausgründung mProbes arbeitet Voigtländer nun daran, die Jülicher Erfindung auch anderen Forschungsgruppen zugänglich zu machen.

Dieses Multispitzen-Mikroskop bringt mithilfe spezieller vibrationsarmer Nanomotoren, der sogenannten KoalaDrives, vier Messspitzen auf engstem Raum zusammen. Während bei einem Zweispitzen-Instrument immer auch die elektrischen Widerstände an den Kontaktstellen mitgemessen werden, lässt sich mit vier Spitzen die Leitfähigkeit ermitteln, ohne dass die Kontaktwiderstände der Elektroden das Ergebnis verfälschen. Der Auswertung der Messdaten legten die Forscher ein neu entwickeltes Modell zugrunde, welches nicht nur zwischen der Stromleitung über die Oberfläche und im Inneren unterscheidet, sondern daneben auch verzweigte Übertragungswege über mehrere Schichten hinweg berücksichtigt.

„Die Analyse-Methode, die wir entwickelt haben, lässt sich auch auf verschiedenste andere Systeme in der Nanoelektronik anwenden. Mithilfe unseres Ansatzes wird es beispielsweise möglich, Leckströme, die in elektronischen Bauelementen ungewollt über die leitfähigen Oberflächen fließen, exakt zu berechnen. So lassen sich deren negative Auswirkungen auf die Effizienz der Bauteile schon in der Entwicklungsphase mit berücksichtigen und so weit wie möglich minimieren. Andererseits könnten Oberflächen aber auch gezielt als zusätzliche leitfähige Kanäle genutzt werden“, erläutert Sven Just, Doktorand am Jülicher Peter Grünberg Institut. Die präzise Messtechnik schafft auch neue Möglichkeiten für den Bau von Sensoren, etwa zum Nachweis von Gasen, die im Kontakt mit der Oberfläche deren Leitfähigkeit beeinflussen.

Als nächstes Ziel haben die Forscher nun die Untersuchung von topologischen Isolatoren im Visier: Die Materialklasse gilt aufgrund ihrer ungewöhnlichen Eigenschaften als Top-Kandidat für neuartige nanoelektronische Bauelemente der Zukunft. Entsprechende Materialien verhalten sich im Innern wie ein elektrischer Isolator, der den Strom nicht leitet, während sie den elektrischen Strom an ihrer Oberfläche ähnlich gut leiten wie ein elektrischer Leiter, was die Tür zu neuen Anwendungen in der Informationsverarbeitung und Sensorik öffnen könnte.

Originalpublikation:
Surface and Step Conductivities on Si(111) Surfaces
Sven Just, Marcus Blab, Stefan Korte, Vasily Cherepanov, Helmut Soltner, Bert Voigtländer
Phys. Rev. Lett. 115, 066801 (2015) – Published 3 August 2015
Artikel: http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.115.066801#fulltext

Weitere Informationen:
Peter Grünberg Institut, Functional Nanostructures at Surfaces (PGI-3): http://www.fz-juelich.de/pgi/pgi-3/EN/UeberUns/Organisation/Gruppe2/KoalaDrive/_...
Ausgründung mProbes: http://www.mprobes.com/index.html

Ansprechpartner:
Sven Just, Peter Grünberg Institut, Functional Nanostructures at Surfaces (PGI-3)
Tel. 02461 61-6536
s.just@fz-juelich.de

Prof. Bert Voigtländer, Peter Grünberg Institut, Functional Nanostructures at Surfaces (PGI-3)
Tel.: 02461 61-4116
b.voigtlaender@fz-juelich.de

Pressekontakt:
Tobias Schlößer, Unternehmenskommunikation
Tel. 02461 61-4771
t.schloesser@fz-juelich.de

Weitere Informationen:

http://www.fz-juelich.de/SharedDocs/Pressemitteilungen/UK/DE/2015/15-08-04prl-si...

Tobias Schlößer | Forschungszentrum Jülich

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Fraunhofer IFAM erweitert den Forschungsbereich »Beschichtungen für Bewuchs- und Korrosionsschutz«
11.01.2017 | Fraunhofer IFAM

nachricht Schrauben mit Köpfchen
10.01.2017 | Technische Universität Chemnitz

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Mit solaren Gebäudehüllen Architektur gestalten

Solarthermie ist in der breiten Öffentlichkeit derzeit durch dunkelblaue, rechteckige Kollektoren auf Hausdächern besetzt. Für ästhetisch hochwertige Architektur werden Technologien benötigt, die dem Architekten mehr Gestaltungsspielraum für Niedrigst- und Plusenergiegebäude geben. Im Projekt »ArKol« entwickeln Forscher des Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern aktuell zwei Fassadenkollektoren für solare Wärmeerzeugung, die ein hohes Maß an Designflexibilität erlauben: einen Streifenkollektor für opake sowie eine solarthermische Jalousie für transparente Fassadenanteile. Der aktuelle Stand der beiden Entwicklungen wird auf der BAU 2017 vorgestellt.

Im Projekt »ArKol – Entwicklung von architektonisch hoch integrierten Fassadekollektoren mit Heat Pipes« entwickelt das Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern...

Im Focus: Designing Architecture with Solar Building Envelopes

Among the general public, solar thermal energy is currently associated with dark blue, rectangular collectors on building roofs. Technologies are needed for aesthetically high quality architecture which offer the architect more room for manoeuvre when it comes to low- and plus-energy buildings. With the “ArKol” project, researchers at Fraunhofer ISE together with partners are currently developing two façade collectors for solar thermal energy generation, which permit a high degree of design flexibility: a strip collector for opaque façade sections and a solar thermal blind for transparent sections. The current state of the two developments will be presented at the BAU 2017 trade fair.

As part of the “ArKol – development of architecturally highly integrated façade collectors with heat pipes” project, Fraunhofer ISE together with its partners...

Im Focus: Mit Bindfaden und Schere - die Chromosomenverteilung in der Meiose

Was einmal fest verbunden war sollte nicht getrennt werden? Nicht so in der Meiose, der Zellteilung in der Gameten, Spermien und Eizellen entstehen. Am Anfang der Meiose hält der ringförmige Proteinkomplex Kohäsin die Chromosomenstränge, auf denen die Bauanleitung des Körpers gespeichert ist, zusammen wie ein Bindfaden. Damit am Ende jede Eizelle und jedes Spermium nur einen Chromosomensatz erhält, müssen die Bindfäden aufgeschnitten werden. Forscher vom Max-Planck-Institut für Biochemie zeigen in der Bäckerhefe wie ein auch im Menschen vorkommendes Kinase-Enzym das Aufschneiden der Kohäsinringe kontrolliert und mit dem Austritt aus der Meiose und der Gametenbildung koordiniert.

Warum sehen Kinder eigentlich ihren Eltern ähnlich? Die meisten Zellen unseres Körpers sind diploid, d.h. sie besitzen zwei Kopien von jedem Chromosom – eine...

Im Focus: Der Klang des Ozeans

Umfassende Langzeitstudie zur Geräuschkulisse im Südpolarmeer veröffentlicht

Fast drei Jahre lang haben AWI-Wissenschaftler mit Unterwasser-Mikrofonen in das Südpolarmeer hineingehorcht und einen „Chor“ aus Walen und Robben vernommen....

Im Focus: Wie man eine 80t schwere Betonschale aufbläst

An der TU Wien wurde eine Alternative zu teuren und aufwendigen Schalungen für Kuppelbauten entwickelt, die nun in einem Testbauwerk für die ÖBB-Infrastruktur umgesetzt wird.

Die Schalung für Kuppelbauten aus Beton ist normalerweise aufwändig und teuer. Eine mögliche kostengünstige und ressourcenschonende Alternative bietet die an...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Aquakulturen und Fangquoten – was hilft gegen Überfischung?

16.01.2017 | Veranstaltungen

14. BF21-Jahrestagung „Mobilität & Kfz-Versicherung im Fokus“

12.01.2017 | Veranstaltungen

Leipziger Biogas-Fachgespräch lädt zum "Branchengespräch Biogas2020+" nach Nossen

11.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Feinstaub weckt schlafende Viren in der Lunge

16.01.2017 | Biowissenschaften Chemie

Energieeffizienter Gebäudebetrieb: Monitoring-Plattform MONDAS identifiziert Einsparpotenzial

16.01.2017 | Messenachrichten

Nervenkrankheit ALS: Mehr als nur ein Motor-Problem im Gehirn?

16.01.2017 | Biowissenschaften Chemie