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 Radioaktive Elemente in Cassiopeia A liefern Hinweise auf Neutrinos als Ursache der Supernova-Explosion
23.06.2017 | Max-Planck-Institut für Astrophysik

nachricht Individualisierte Faserkomponenten für den Weltmarkt
22.06.2017 | Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH)

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: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Im Focus: Climate satellite: Tracking methane with robust laser technology

Heatwaves in the Arctic, longer periods of vegetation in Europe, severe floods in West Africa – starting in 2021, scientists want to explore the emissions of the greenhouse gas methane with the German-French satellite MERLIN. This is made possible by a new robust laser system of the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT in Aachen, which achieves unprecedented measurement accuracy.

Methane is primarily the result of the decomposition of organic matter. The gas has a 25 times greater warming potential than carbon dioxide, but is not as...

Im Focus: How protons move through a fuel cell

Hydrogen is regarded as the energy source of the future: It is produced with solar power and can be used to generate heat and electricity in fuel cells. Empa researchers have now succeeded in decoding the movement of hydrogen ions in crystals – a key step towards more efficient energy conversion in the hydrogen industry of tomorrow.

As charge carriers, electrons and ions play the leading role in electrochemical energy storage devices and converters such as batteries and fuel cells. Proton...

Im Focus: Die Schweiz in Pole-Position in der neuen ESA-Mission

Die Europäische Weltraumagentur ESA gab heute grünes Licht für die industrielle Produktion von PLATO, der grössten europäischen wissenschaftlichen Mission zu Exoplaneten. Partner dieser Mission sind die Universitäten Bern und Genf.

Die Europäische Weltraumagentur ESA lanciert heute PLATO (PLAnetary Transits and Oscillation of stars), die grösste europäische wissenschaftliche Mission zur...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Von Batterieforschung bis Optoelektronik

23.06.2017 | Veranstaltungen

10. HDT-Tagung: Elektrische Antriebstechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

22.06.2017 | Veranstaltungen

„Fit für die Industrie 4.0“ – Tagung von Hochschule Darmstadt und Schader-Stiftung am 27. Juni

22.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Radioaktive Elemente in Cassiopeia A liefern Hinweise auf Neutrinos als Ursache der Supernova-Explosion

23.06.2017 | Physik Astronomie

Dünenökosysteme modellieren

23.06.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Makro-Mikrowelle macht Leichtbau für Luft- und Raumfahrt effizienter

23.06.2017 | Materialwissenschaften