Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Mikroskopische Aufnahmen neu gedeutet

02.09.2009
Eine Doktorandin im Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD) entdeckte, dass Aufnahmen mit einem Raster-Kelvin-Mikroskop, das seit 1991 genutzt wird, neu interpretiert werden müssen. Die Ergebnisse stellte sie vor kurzem in der Fachzeitschrift "Physical Review B" vor.

In den letzten Jahren hat die Mikroskopie enorme Fortschritte gemacht. Moderne Mikroskope können Moleküle dreidimensional abbilden, kleinste Strukturen bis hin zu einzelnen Atomen erkennen und vor allem auch unterschiedliche Arten von Atomen sicher voneinander unterscheiden.

Die "Raster-Kelvin-Mikroskopie" ist eine besondere Technik der Rasterkraft-Mikroskopie, wobei die ihr zugrunde liegende Methode auf Lord Kelvin zurück geht. Wie das Rasterkraft-Mikroskop kam sie 1991 auf den Markt. Mit dem Mikroskop wurde eine wissenschaftliche Erklärung mitgeliefert, wie die Aufnahmen zu interpretieren seien. Daran rüttelt nun die Physikerin Christine Baumgart, die in der Nachwuchsgruppe "Nanospintronik" am FZD ihre Promotionszeit absolviert.

Rasterkraft-Mikroskope haben eine Auflösung noch unterhalb des Nanometer-Bereichs (1 Nanometer = 1 Millionstel Millimeter), wobei man wissen muss, dass der Abstand zwischen zwei Atomen nur rund 0,1 Nanometer beträgt. Solch ein Mikroskop erzeugt ein Bild der Oberflächen-Topographie, indem eine superfeine Spitze, die an einem ebenfalls sehr kleinen Balken (Cantilever) hängt, über die zu untersuchende Probe gefahren wird. Die Spitze tritt mit den Atomen an der Probenoberfläche in Wechselwirkung, so dass die Atome eine Kraft auf die Spitze ausüben. Dabei verbiegt sich der Cantilever und diese Verbiegung wird von einem Laser gemessen. Ein Raster-Kelvin-Mikroskop nutzt eine elektrisch leitende Spitze und misst zusätzlich zur Oberflächen-Topographie auch die elektrische Kraft zwischen Spitze und Probe.

Damit lassen sich Oberflächenphänomene wie etwa die katalytische Aktivität oder die elektrische Aktivität von zuvor implantierten Ionen (das sind geladene Atome) in dem Material sehr genau bestimmen. Der große Vorteil dieses mikroskopischen Verfahrens ist, dass die elektrischen Eigenschaften eines Materials kontaktlos und zerstörungsfrei untersucht werden können. Der Nachteil: die Untersuchungen waren bisher kompliziert, was die Reproduzierbarkeit der wissenschaftlichen Ergebnisse erschwerte. Zudem ging die Fachwelt von einer unvollständigen Erklärung der Messwerte aus. Man glaubte, dass das elektrische Potential zwischen der Spitze und der Oberfläche der Probe gemessen werde.

Christine Baumgart hat nun herausgefunden, was das Raster-Kelvin-Mikroskop eigentlich misst, nämlich die Spannung, die nötig ist, um Elektronen oder Löcher an die Oberfläche der Halbleiterprobe zu bewegen. Damit werden die Untersuchungen viel einfacher als bisher und die Ergebnisse zu Aufbau und elektronischem Zustand des untersuchten Materials lassen sich eindeutig und reproduzierbar gewinnen. So könnte das Raster-Kelvin-Mikroskop, das jetzt vor allem in der Materialforschung und in der Halbleiterphysik eingesetzt wird, für weitere Bereiche, etwa die Biotechnologie, deutlich an Interesse gewinnen.

Wie genau funktioniert nun aber die Messung bei einem Raster-Kelvin-Mikroskop? Die Spitze wird durch die elektrostatische Kraft zwischen Cantilever und Probe ausgelenkt, während sie über die Probe gerastert wird. Die elektrostatische Kraft wird minimiert, indem an die Probe eine Spannung angelegt wird und Elektronen oder Löcher zur Halbleiteroberfläche bewegt werden. Der Cantilever kehrt in seine Ausgangsposition zurück und die angelegte Spannung wird als Mess-Signal gespeichert.

Im Fachjargon: Ging die bisherige Standarderklärung davon aus, dass das Raster-Kelvin-Mikroskop die Kontaktpotentialdifferenz misst, so ist es vielmehr die Differenz zwischen der Fermi-Energie des dotierten Bereichs und der entsprechenden Bandkante (Leitungs- bzw. Valenzband, abhängig vom Material des Halbleiters). Die Energiedifferenz erklärt sich dadurch, dass mobile Majoritätsladungsträger von der Tiefe in die Oberflächenregion der Halbleiterprobe wandern müssen, damit sich der asymmetrische Dipol abbaut, der wiederum die elektrostatische Kraft auf die elektrisch leitende Spitze verursacht.

Christine Baumgart beschäftigt sich in ihrer von Dr. Heidemarie Schmidt betreuten Doktorarbeit mit Materialien für die Nanospintronik. Die Materialien, mit denen sie im FZD arbeitet, sind in der Regel mit Fremd-Ionen dotiert. Zur Untersuchung nutzt sie unterschiedliche mikroskopische Verfahren, beispielsweise das Raster-Kelvin-Mikroskop. "Ich wollte genauer verstehen, wie das Mikroskop funktioniert. Wir können im Ionenstrahlzentrum am FZD besonders gut definierte Proben herstellen, also die Art der Fremd-Ionen, deren Konzentration und Verteilung sehr genau einstellen. So kam ich der Fehlstelle in der Deutung der Ergebnisse auf die Spur. Die gute Nachricht: bisher wurde immer korrekt gemessen, doch das Mess-Signal wurde eben nicht vollständig interpretiert.", sagt Christine Baumgart.

Ihre überraschenden Entdeckungen wurden vor kurzem in der Fachzeitschrift "Physical Review B" veröffentlicht: "Quantitative dopant profiling in semiconductors: A Kelvin probe force microscopy model", C. Baumgart, M. Helm, H. Schmidt, DOI: 10.1103/PhysRevB.80.085305 (http://link.aps.org/abstract/PRB/v80/e085305).

Das "Virtual Journal of Nanoscale Science & Technology" (http://www.vjnano.org) wählte diese Veröffentlichung mittlerweile als bemerkenswertes Forschungsergebnis aus (Ausgabe vom 24. August 2009).

Weiterführende Informationen:
Christine Baumgart
Dr. Heidemarie Schmidt
Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD)
Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung
Tel.: ++49 351 260 - 2449 | - 2724
E-Mail: C.Baumgart@fzd.de | Heidemarie.Schmidt@fzd.de
Medienkontakt:
Dr. Christine Bohnet
Presse und Öffentlichkeitsarbeit
Bautzner Landstr. 400, 01328 Dresden
Tel..: ++49 351 260 - 2450 oder ++49 160 969 288 56
E-Mail: presse@fzd.de
www: http://www.fzd.de
Information:
Das Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD) hat das Ziel, strategisch und langfristig ausgerichtete Spitzenforschung in politisch und gesellschaftlich relevanten Forschungsthemen wie Energie, Gesundheit, Struktur der Materie und Schlüsseltechnologien zu leisten. Folgende Fragestellungen stehen dabei im Mittelpunkt:
- Wie verhält sich Materie unter dem Einfluss hoher Felder und in kleinsten Dimensionen?
- Wie können Tumorerkrankungen frühzeitig erkannt und wirksam behandelt werden?
- Wie schützt man Mensch und Umwelt vor technischen Risiken?
Diese Fragestellungen werden in strategischen Kooperationen mit Forschungs- und Industriepartnern bearbeitet. Ein weiterer Schwerpunkt ist der Betrieb von sechs einmaligen Großgeräten, die auch externen Nutzern zur Verfügung stehen.

Das FZD wird als Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft von Bund und Land gefördert, verfügt über ein Budget von mehr als 70 Mio. Euro (2008) und beschäftigt rund 750 Personen.

Dr. Christine Bohnet | idw
Weitere Informationen:
http://link.aps.org/abstract/PRB/v80/e085305
http://www.fzd.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Flashmob der Moleküle
19.01.2017 | Technische Universität Wien

nachricht Verkehrsstau im Nichts
19.01.2017 | Universität Konstanz

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: Innovatives Hochleistungsmaterial: Biofasern aus Florfliegenseide

Neuartige Biofasern aus einem Seidenprotein der Florfliege werden am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP gemeinsam mit der Firma AMSilk GmbH entwickelt. Die Forscher arbeiten daran, das Protein in großen Mengen biotechnologisch herzustellen. Als hochgradig biegesteife Faser soll das Material künftig zum Beispiel in Leichtbaukunststoffen für die Verkehrstechnik eingesetzt werden. Im Bereich Medizintechnik sind beispielsweise biokompatible Seidenbeschichtungen von Implantaten denkbar. Ein erstes Materialmuster präsentiert das Fraunhofer IAP auf der Internationalen Grünen Woche in Berlin vom 20.1. bis 29.1.2017 in Halle 4.2 am Stand 212.

Zum Schutz des Nachwuchses vor bodennahen Fressfeinden lagern Florfliegen ihre Eier auf der Unterseite von Blättern ab – auf der Spitze von stabilen seidenen...

Im Focus: Verkehrsstau im Nichts

Konstanzer Physiker verbuchen neue Erfolge bei der Vermessung des Quanten-Vakuums

An der Universität Konstanz ist ein weiterer bedeutender Schritt hin zu einem völlig neuen experimentellen Zugang zur Quantenphysik gelungen. Das Team um Prof....

Im Focus: Traffic jam in empty space

New success for Konstanz physicists in studying the quantum vacuum

An important step towards a completely new experimental access to quantum physics has been made at University of Konstanz. The team of scientists headed by...

Im Focus: Textiler Hochwasserschutz erhöht Sicherheit

Wissenschaftler der TU Chemnitz präsentieren im Februar und März 2017 ein neues temporäres System zum Schutz gegen Hochwasser auf Baumessen in Chemnitz und Dresden

Auch die jüngsten Hochwasserereignisse zeigen, dass vielerorts das natürliche Rückhaltepotential von Uferbereichen schnell erschöpft ist und angrenzende...

Im Focus: Wie Darmbakterien krank machen

HZI-Forscher entschlüsseln Infektionsmechanismen von Yersinien und Immunantworten des Wirts

Yersinien verursachen schwere Darminfektionen. Um ihre Infektionsmechanismen besser zu verstehen, werden Studien mit dem Modellorganismus Yersinia...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Mittelstand 4.0 – Mehrwerte durch Digitalisierung: Hintergründe, Beispiele, Lösungen

20.01.2017 | Veranstaltungen

Nachhaltige Wassernutzung in der Landwirtschaft Osteuropas und Zentralasiens

19.01.2017 | Veranstaltungen

Künftige Rohstoffexperten aus aller Welt in Freiberg zur Winterschule

18.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

21.500 Euro für eine grüne Zukunft – Unserer Umwelt zuliebe

20.01.2017 | Unternehmensmeldung

innovations-report im Interview mit Rolf-Dieter Lafrenz, Gründer und Geschäftsführer der Hamburger Start ups Cargonexx

20.01.2017 | Unternehmensmeldung

Niederlande: Intelligente Lösungen für Bahn und Stahlindustrie werden gefördert

20.01.2017 | Förderungen Preise