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 Quantenanomalien: Das Universum in einem Kristall
21.07.2017 | Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe

nachricht Projekt »ADIR«: Laser bergen wertvolle Werkstoffe
21.07.2017 | Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Einblicke unter die Oberfläche des Mars

Die Region erstreckt sich über gut 1000 Kilometer entlang des Äquators des Mars. Sie heißt Medusae Fossae Formation und über ihren Ursprung ist bislang wenig bekannt. Der Geologe Prof. Dr. Angelo Pio Rossi von der Jacobs University hat gemeinsam mit Dr. Roberto Orosei vom Nationalen Italienischen Institut für Astrophysik in Bologna und weiteren Wissenschaftlern einen Teilbereich dieses Gebietes, genannt Lucus Planum, näher unter die Lupe genommen – mithilfe von Radarfernerkundung.

Wie bei einem Röntgenbild dringen die Strahlen einige Kilometer tief in die Oberfläche des Planeten ein und liefern Informationen über die Struktur, die...

Im Focus: Molekulares Lego

Sie können ihre Farbe wechseln, ihren Spin verändern oder von fest zu flüssig wechseln: Eine bestimmte Klasse von Polymeren besitzt faszinierende Eigenschaften. Wie sie das schaffen, haben Forscher der Uni Würzburg untersucht.

Bei dieser Arbeit handele es sich um ein „Hot Paper“, das interessante und wichtige Aspekte einer neuen Polymerklasse behandelt, die aufgrund ihrer Vielfalt an...

Im Focus: Das Universum in einem Kristall

Dresdener Forscher haben in Zusammenarbeit mit einem internationalen Forscherteam einen unerwarteten experimentellen Zugang zu einem Problem der Allgemeinen Realitätstheorie gefunden. Im Fachmagazin Nature berichten sie, dass es ihnen in neuartigen Materialien und mit Hilfe von thermoelektrischen Messungen gelungen ist, die Schwerkraft-Quantenanomalie nachzuweisen. Erstmals konnten so Quantenanomalien in simulierten Schwerfeldern an einem realen Kristall untersucht werden.

In der Physik spielen Messgrößen wie Energie, Impuls oder elektrische Ladung, welche ihre Erscheinungsform zwar ändern können, aber niemals verloren gehen oder...

Im Focus: Manipulation des Elektronenspins ohne Informationsverlust

Physiker haben eine neue Technik entwickelt, um auf einem Chip den Elektronenspin mit elektrischen Spannungen zu steuern. Mit der neu entwickelten Methode kann der Zerfall des Spins unterdrückt, die enthaltene Information erhalten und über vergleichsweise grosse Distanzen übermittelt werden. Das zeigt ein Team des Departement Physik der Universität Basel und des Swiss Nanoscience Instituts in einer Veröffentlichung in Physical Review X.

Seit einigen Jahren wird weltweit untersucht, wie sich der Spin des Elektrons zur Speicherung und Übertragung von Information nutzen lässt. Der Spin jedes...

Im Focus: Manipulating Electron Spins Without Loss of Information

Physicists have developed a new technique that uses electrical voltages to control the electron spin on a chip. The newly-developed method provides protection from spin decay, meaning that the contained information can be maintained and transmitted over comparatively large distances, as has been demonstrated by a team from the University of Basel’s Department of Physics and the Swiss Nanoscience Institute. The results have been published in Physical Review X.

For several years, researchers have been trying to use the spin of an electron to store and transmit information. The spin of each electron is always coupled...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Den Geheimnissen der Schwarzen Löcher auf der Spur

21.07.2017 | Veranstaltungen

Den Nachhaltigkeitskreis schließen: Lebensmittelschutz durch biobasierte Materialien

21.07.2017 | Veranstaltungen

Operatortheorie im Fokus

20.07.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Einblicke unter die Oberfläche des Mars

21.07.2017 | Geowissenschaften

Wegbereiter für Vitamin A in Reis

21.07.2017 | Biowissenschaften Chemie

Den Geheimnissen der Schwarzen Löcher auf der Spur

21.07.2017 | Veranstaltungsnachrichten