Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Einmal durchleuchtet – dreifacher Informationsgewinn

11.12.2017

Physiker der Universität Jena entwickeln neue Messmethode für aktive nanoskalige Bauteile

Egal wie groß Handys oder Computer sind – die Funktion solcher elektronischer Geräte hängt vor allem vom Zusammenwirken verschiedener Materialien ab. Deshalb müssen sowohl Ingenieure als auch Wissenschaftler genau wissen, wie sich bestimmte chemische Elemente innerhalb eines Computerchips bzw. einer Diode oder eines Transistors verhalten, und was passiert, wenn sie sich miteinander verbinden.


Die Physiker Dr. Andreas Johannes (l.) und Prof. Dr. Carsten Ronning in einem Labor am Institut für Festkörperphysik der Universität Jena.

Foto: Jan-Peter Kasper/FSU

Physiker der Friedrich-Schiller-Universität Jena haben jetzt eine neue Methode entwickelt, durch die sie mehrere Informationen gleichzeitig aus dem Inneren eines nanoskaligen Bauteils erhalten – während es sich im aktiven Zustand befindet. Über ihre Erkenntnisse berichten die Jenaer Wissenschaftler und ihre Partner in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins „Science Advances“.

„Mit unserer Methode können wir gleichzeitig Informationen über die Komposition der Elemente, also ihr Verhältnis zueinander, über ihre Oxidationsstufe, also ihre Art der Bindung, die sie miteinander eingegangen sind, sowie über interne elektrische Felder, die dabei entstanden sind, abrufen“, erklärt Prof. Dr. Carsten Ronning von der Uni Jena.

„Das sind alles elementare Indikatoren für die Funktion des Bauteils“, so der Leiter des Projektes. Bei der Vorgehensweise, die die Jenaer Physiker gemeinsam mit Kollegen aus Grenoble, Madrid und Wien entwickelt haben, müssen die zu untersuchenden Bauteile allerdings nicht aufwendig präpariert oder möglicherweise sogar zerstört werden. „Genau genommen könnten wir die Dioden eines eingeschalteten Handys durchleuchten, ohne dass es beschädigt werden würde“, sagt Ronning.

Röntgenstrahl aus dem Teilchenbeschleuniger

Ausschlaggebend für den Forschungsansatz ist dabei ein sehr dünner Röntgenstrahl, mit dem die Jenaer Physiker zunächst ein eigens für ihre Experimente angefertigtes Bauteil durchleuchtet haben.

„Wir haben in einen etwa 200 Nanometer dicken Siliziumdraht Arsen- und Galliumatome eingebracht, die sich durch Erhitzen an einem Punkt agglomerieren, also zusammenballen, wodurch ein funktionsfähiges Bauteil entsteht“, erklärt Prof. Ronning. „Dann sind wir den Draht mit einem im Durchmesser 50 Nanometer dicken Röntgenstrahl entlanggefahren und haben ihn so Stück für Stück bestrahlt.“

Die Wissenschaftler stellten dabei fest, dass das Elementgemisch die Röntgenstrahlung – wie bei einer Solarzelle – in elektrischen Strom umwandelte, der – wie bei einer Diode – nur in eine Richtung floss. So machten die Wissenschaftler die internen elektrischen Felder, die für die Funktion des Teils unerlässlich sind, sichtbar. Zudem emittierte das Bauteil Licht.

„Durch die Röntgenstrahlung werden die Atome im Bauteil angeregt und senden ihrerseits eine charakteristische Strahlung aus“, erklärt Dr. Andreas Johannes, der die Experimente durchgeführt hat. „Dadurch erhalten wir ein Spektrum, das uns wertvolle Informationen über die einzelnen Elemente und ihr Verhältnis zueinander liefert.“

Variiert man die Energie der einfallenden Röntgenstrahlung, dann ergeben sich Spektren, die Aussagen über die Oxidationsstufe der Elemente – und damit über die Verbindungen an sich – zulassen.

Nur neue Methode ermöglicht diesen Informationsgewinn durch eine Messung

„All diese Informationen durch eine Messung lassen sich bisher nur durch unsere Methode gewinnen“, sagt Andreas Johannes. Zwar gebe es vergleichbare Möglichkeiten im Bereich der Elektronenmikroskopie, doch müssten die Bauteile hierbei besonders präpariert und eventuell zerstört werden, da die Eindringtiefe des Elektronenstrahls weitaus geringer ist.

Zudem könnten solche Messungen nur im Vakuum stattfinden – die Röntgenmethode allerdings sei nahezu unabhängig von einer speziellen Umgebung.

Bisher können solche feinen Röntgenstrahlen nur Teilchenbeschleuniger erzeugen, weswegen die Jenaer Physiker für die Entwicklung der neuen Messmethode eng mit der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) im französischen Grenoble zusammengearbeitet haben.

Diese Einrichtungen stehen sowohl der Wissenschaft als auch der Industrie zur Verfügung, so dass bereits vorhandene Bauteile genauer durchleuchtet und vor allem neue Materialkombinationen ausprobiert werden können, um leistungsfähigere Bauteile zu erhalten.

„Unsere Methode kann beispielsweise bei der Entwicklung neuer Batterien wertvolle Dienste leisten“, sagt Andreas Johannes. „Denn auch diese möchten Forscher vor allem in Betrieb und voll funktionsfähig untersuchen, um etwa die Oxidationsstufen der Elemente herauszulesen.“

Original-Publikation:
Andreas Johannes et. al.: In-operando X-ray imaging of nanoscale devices: composition, valence, and internal electrical fields, Science Advances 2017,DOI: 10.1126/sciadv.aao4044

Kontakt:
Prof. Dr. Carsten Ronning
Institut für Festkörperphysik der Friedrich-Schiller-Universität Jena
Helmholtzweg 3, 07743 Jena
Tel.: 03641 / 947300
E-Mail: carsten.ronning[at]uni-jena.de

Weitere Informationen:

http://www.uni-jena.de

Sebastian Hollstein | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Bilder magnetischer Strukturen auf der Nano-Skala
20.04.2018 | Georg-August-Universität Göttingen

nachricht Licht macht Ionen Beine
20.04.2018 | Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, Stuttgart

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Software mit Grips

Ein computergestütztes Netzwerk zeigt, wie die Ionenkanäle in der Membran von Nervenzellen so verschiedenartige Fähigkeiten wie Kurzzeitgedächtnis und Hirnwellen steuern können

Nervenzellen, die auch dann aktiv sind, wenn der auslösende Reiz verstummt ist, sind die Grundlage für ein Kurzzeitgedächtnis. Durch rhythmisch aktive...

Im Focus: Der komplette Zellatlas und Stammbaum eines unsterblichen Plattwurms

Von einer einzigen Stammzelle zur Vielzahl hochdifferenzierter Körperzellen: Den vollständigen Stammbaum eines ausgewachsenen Organismus haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Berlin und München in „Science“ publiziert. Entscheidend war der kombinierte Einsatz von RNA- und computerbasierten Technologien.

Wie werden aus einheitlichen Stammzellen komplexe Körperzellen mit sehr unterschiedlichen Funktionen? Die Differenzierung von Stammzellen in verschiedenste...

Im Focus: Spider silk key to new bone-fixing composite

University of Connecticut researchers have created a biodegradable composite made of silk fibers that can be used to repair broken load-bearing bones without the complications sometimes presented by other materials.

Repairing major load-bearing bones such as those in the leg can be a long and uncomfortable process.

Im Focus: Verbesserte Stabilität von Kunststoff-Leuchtdioden

Polymer-Leuchtdioden (PLEDs) sind attraktiv für den Einsatz in großflächigen Displays und Lichtpanelen, aber ihre begrenzte Stabilität verhindert die Kommerzialisierung. Wissenschaftler aus dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPIP) in Mainz haben jetzt die Ursachen der Instabilität aufgedeckt.

Bildschirme und Smartphones, die gerollt und hochgeklappt werden können, sind Anwendungen, die in Zukunft durch die Entwicklung von polymerbasierten...

Im Focus: Writing and deleting magnets with lasers

Study published in the journal ACS Applied Materials & Interfaces is the outcome of an international effort that included teams from Dresden and Berlin in Germany, and the US.

Scientists at the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) together with colleagues from the Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) and the University of Virginia...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Internationale Konferenz zur Digitalisierung

19.04.2018 | Veranstaltungen

124. Internistenkongress in Mannheim: Internisten rücken Altersmedizin in den Fokus

19.04.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Juni 2018

17.04.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Grösster Elektrolaster der Welt nimmt Arbeit auf

20.04.2018 | Interdisziplinäre Forschung

Bilder magnetischer Strukturen auf der Nano-Skala

20.04.2018 | Physik Astronomie

Kieler Forschende entschlüsseln neuen Baustein in der Entwicklung des globalen Klimas

20.04.2018 | Geowissenschaften

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics