Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Spannung in der Nanowelt - Infrarot-Mikroskopie macht nanoskalige Verspannungen sichtbar

12.01.2009
Wissenschaftler des baskischen Forschungsinstitutes CIC nanoGUNE in San Sebastian haben in einer Kooperation mit den Münchner Max-Planck-Instituten für Biochemie und Plasmaphysik eine neue störungsfreie Methode entwickelt, um nanoskopische Verspannungen in Halbleitermateralien nachzuweisen.

Die auf der Infrarot-Nahfeldmikroskopie basierende Methode bietet neue Möglichkeiten zur Untersuchung der mechanischen Eigenschaften von Hochleistungskeramiken oder zur Messung der lokalen Leitfähigkeit in nanoskaligen Bauelementen modernster Computer Chips. (Nature Nanotechnology, advanced online publication, 11 Jan. 2009).


Beobachtung der Entstehung von Nanorissen mit einem Infrarot-Nahfeldmikroskop: a) Relief von dreieckigen Eindrücken auf der Oberfläche eines Siliziumcarbid - Kristalls, welche mit Hilfe einer scharfen Diamant - Spitze erzeugt wurden. Mit zunehmender Kraft werden die Eindrücke tiefer und größer. b) Infrarotbilder bei einer Wellenlänge von 10 Mikrometer zeigen deutlich die Spannungsfelder um die Eindrücke. Bereiche in denen der Kristall komprimiert wurde erscheinen hell, gedehnte Regionen dunkel. Aufgrund der außergewöhnlich hohen Auflösung lässt sich auch die Entstehung von Nanorissen erkennen (blau gestrichelter Kreis). Abbildung: Andreas Huber, Max-Planck-Institut für Biochemie, Martinsried

Die Charakterisierung von Materialverspannungen im Nanometerbereich (unter 100 Nanometer) ist eine wesentliche Anforderung an die moderne Messtechnik, da Verspannungen sowohl die mechanischen Eigenschaften von Hochleistungskeramiken, als auch die elektronischen Eigenschaften moderner Halbleiterbauelemente bestimmen. Eine störungs- und kontaktfreie Abbildung von Verspannungen und deren Auswirkungen auf die lokale Leitfähigkeit ist noch immer eine der großen Herausforderungen in der Nano- und Halbleitertechnologie.

Die Infrarot-Nanoskopie, die von Forschern am Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried bei München entwickelt wurde, bietet eine Möglichkeit für hochempfindliche Materialcharakterisierung. Sie basiert auf einem Raster-Kraft-Mikroskop (Atomic Force Microscope, AFM), dessen feine Abtastspitze mit nur 20-40 nm Durchmesser die Streuung von optischen Nahfeldern registriert (scattering-type Scanning Near-field Optical Microscopy, s-SNOM). Über das gestreute Licht lassen sich, zusätzlich zur Topographie, Informationen über die lokalen optischen und chemischen Eigenschaften von Materialien gewinnen. Die Nanowissenschaftler konnten in den letzten Jahren ihre Nahfeldtechnik auch auf den Infrarot- und Terahertz-Bereich ausdehnen und damit ein Auflösungsvermögen von 20 Nanometer erzielen.

In der neuesten Studie zeigen die Wissenschaftler, dass die Infrarot-Nahfeldmikroskopie auch in der Lage ist, kleinste Spannungsfelder und Nanorisse in Kristallen zu entdecken. In einem Demonstrationsexperiment erzeugten die Wissenschaftler mit Hilfe einer Diamant-Spitze verschieden starke Eindrücke auf der Oberfläche eines Siliziumcarbid-Kristalls. Mit ihrem Nahfeldmikroskop verfolgten sie die Entwicklung der nanoskopischen Spannungsfelder, die durch den Eindruck erzeugt wurden. Die aufgezeichneten Infrarotbilder visualisieren erstmals auch die Entstehung und Entwicklung von Nanorissen mit Hilfe einer optischen Methode. "Gegenüber anderen Mikroskopie-Verfahren, wie etwa Elektronenmikroskopie, hat unsere Methode den Vorteil, dass keine spezielle Probenpräparation notwendig ist. Modifikationen des ursprünglichen Probenzustandes durch eine Präparation werden somit vermieden", kommentiert Andreas Huber, der die Experimente im Rahmen seiner Doktorarbeit durchführte. "Das Verfahren kann in Zukunft dazu angewendet werden, um etwa Nanorisse in Keramiken oder mikroelektronisch-mechanischen Systemen (MEMS) aufzuspüren, bevor sie zu Materialversagen führen", meint Alexander Ziegler.

Weiterhin zeigen die Wissenschaftler, dass die Infrarot-Nahfeldmikroskopie das Potential besitzt, gleichzeitig die Ladungsträger-Konzentration und -Mobilität in nanoskalig verspannten Halbleitern zu untersuchen. Lokale Spannungsfelder werden in modernen Halbleiterstrukturen verwendet, um gezielt die Leitfähigkeit zu erhöhen und dadurch elektronische Bauelemente etwa in Computer-Chips weiter zu verkleinern. "Unsere Ergebnisse versprechen eine kontaktfreie und quantitative Abbildung der Ladungsträgereigenschaften. Deshalb ergeben sich für die Infrarot-Nahfeldmikroskopie interessante Anwendungsmöglichkeiten zur nano-skopischen Charakterisierung von zukünftigen elektronischen Bauelementen, bei denen lokal verspanntes Silizium ein wesentlicher Bestandteil ist", so Rainer Hillenbrand, Leiter der Forschungsgruppe Nano-Photonics am Max-Planck-Institut für Biochemie, der jetzt die Leitung des Nanooptics Laboratory bei nanoGUNE in San Sebastian (Spanien) übernommen hat.

Original publication:
A. J. Huber, A. Ziegler, T. Köck, and R. Hillenbrand, Infrared nanoscopy of strained semiconductors, Nat. Nanotech., advanced online publication, 11. Jan. 2009, DOI 10.1038/NNANO.2008.399.
Contact:
Dr. Rainer Hillenbrand
Nanooptics Laboratory
CIC nanoGUNE Consolider
20009 Donostia - San Sebastian, Spain
phone +34 943 574 007
r.hillenbrand@nanogune.eu
and
Nano-Photonics Group
Max-Planck-Institut für Biochemie
82152 Martinsried, Germany

Eva-Maria Diehl | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.biochem.mpg.de/hillenbrand
http://www.nanogune.eu
http://www.biochem.mpg.de/news/pressroom/Nanophotonics.pdf

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Forscherin entwickelt elektronische Textilstruktur für Medizinprodukte
17.02.2017 | Hochschule Niederrhein - University of Applied Sciences

nachricht Untergrund beeinflusst Halbleiter-Monolagen
16.02.2017 | Philipps-Universität Marburg

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: „Vernetzte Autonome Systeme“ von acatech und DFKI auf der CeBIT

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Kooperation mit der Deutschen Messe AG vernetzte Autonome Systeme. In Halle 12 am Stand B 63 erwarten die Besucherinnen und Besucher unter anderem Roboter, die Hand in Hand mit Menschen zusammenarbeiten oder die selbstständig gefährliche Umgebungen erkunden.

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für...

Im Focus: Kühler Zwerg und die sieben Planeten

Erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima in System mit ungewöhnlich vielen Planeten entdeckt

In einer Entfernung von nur 40 Lichtjahren haben Astronomen ein System aus sieben erdgroßen Planeten entdeckt. Alle Planeten wurden unter Verwendung von boden-...

Im Focus: Mehr Sicherheit für Flugzeuge

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem totalen Triebwerksausfall zum Einsatz kommt, um den Piloten ein sicheres Gleiten zu einem Notlandeplatz zu ermöglichen, und ein Assistenzsystem für Segelflieger, das ihnen das Erreichen größerer Höhen erleichtert. Präsentiert werden sie von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann auf der Internationalen Fachmesse für Allgemeine Luftfahrt AERO vom 5. bis 8. April in Friedrichshafen.

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem...

Im Focus: HIGH-TOOL unterstützt Verkehrsplanung in Europa

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt sich bewerten, wie verkehrspolitische Maßnahmen langfristig auf Wirtschaft, Gesellschaft und Umwelt wirken. HIGH-TOOL ist ein frei zugängliches Modell mit Modulen für Demografie, Wirtschaft und Ressourcen, Fahrzeugbestand, Nachfrage im Personen- und Güterverkehr sowie Umwelt und Sicherheit. An dem nun erfolgreich abgeschlossenen EU-Projekt unter der Koordination des KIT waren acht Partner aus fünf Ländern beteiligt.

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt...

Im Focus: Zinn in der Photodiode: nächster Schritt zur optischen On-Chip-Datenübertragung

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium allein – die stoffliche Basis der Chip-Produktion – sind als Lichtquelle kaum geeignet. Jülicher Physiker haben nun gemeinsam mit internationalen Partnern eine Diode vorgestellt, die neben Silizium und Germanium zusätzlich Zinn enthält, um die optischen Eigenschaften zu verbessern. Das Besondere daran: Da alle Elemente der vierten Hauptgruppe angehören, sind sie mit der bestehenden Silizium-Technologie voll kompatibel.

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Aufbruch: Forschungsmethoden in einer personalisierten Medizin

24.02.2017 | Veranstaltungen

Österreich erzeugt erstmals Erdgas aus Sonnen- und Windenergie

24.02.2017 | Veranstaltungen

Big Data Centrum Ostbayern-Südböhmen startet Veranstaltungsreihe

23.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Fraunhofer HHI auf dem Mobile World Congress mit VR- und 5G-Technologien

24.02.2017 | Messenachrichten

MWC 2017: 5G-Hauptstadt Berlin

24.02.2017 | Messenachrichten

Auf der molekularen Streckbank

24.02.2017 | Biowissenschaften Chemie