Fokussiertes Ionenstrahlsystem in Kombination mit einem Rasterelektronenmikroskop
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Helios NanoLab™ 600 wird an der Universität Duisburg-Essen von den Arbeitsgruppen um Prof. Dr. Lorke, Prof. Dr. Farle und Prof. Dr. Horn-von Hoegen sowie den Verbundprojekten der Sonderforschungsbereiche 445, 491 und 616 eingesetzt. Darüber hinaus steht es WissenschaftlerInnen aus den Nanoforschungszentren CENIDE und NETZ sowie weiteren universitären Forschungsgruppen zur Verfügung, so dass rund 50 Arbeitsgruppen (Liste: siehe z.B. http://www.uni-due.de/cenide/members.shtml) prinzipiell auf das Gerät Zugriff haben. Im Folgenden werden einige Projekte exemplarisch vorgestellt, die die Nutzung der unterschiedlichen Untersuchungsmöglichkeiten des Geräts zeigen. In Forschungsprojekten der Arbeitsgruppe Prof. Dr. Lorke kommt es zum Beispiel bei der Untersuchung und Nanostrukturierung von Graphen zum Einsatz. In diesem Projekt steht eine möglichst geringe Beeinflussung des Graphens durch den Strukturierungsprozess im Fokus. Da bei Photo- oder Elektronenstrahllithografie Lacke zur Strukturierung benötigt werden, können diese die Graphenmonolagen verunreinigen und somit die elektronischen Eigenschaften beeinflussen. Um Graphen in definierten Geometrien charakterisieren zu können, ist es erstrebenswert einen Strukturierungsprozess mit Nanometergenauigkeit und möglichst geringer Beeinflussung der Kohlenstoff-Monolage zu entwickeln. Erste Ergebnisse haben gezeigt, dass es mit und ohne Einsatz von Ätzgasen möglich ist, Schnitte mit einer Breite von nur wenigen Nanometern in Graphen zu präparieren. Ein weiteres Projekt nutzt das NanoLab zur Strukturierung von Galliumarsenid (GaAs) im Nanometermaßstab. Dazu wurde der fokussierte Elektronenstrahl in Verbindung mit dem Ätzgas Xenondifluorid (XeF2) genutzt um Gräben in GaAs zu ätzen. Hierbei stellte sich heraus, dass das Oxid an der Oberfläche den Ätzprozess behindert, so dass die Entfernung des Oxids und eine Oberflächenpassivierung wichtige Faktoren für die Durchführung dieses hochortsaufgelösten Strukturierungsprozesses mit Strukturgrößen bis herab zu 30 nm und einer geringen Kantenrauhigkeit der Gräben darstellen. In weiteren Projekten werden durch Querschnittspräparation Schichtdicken und -qualität von Halbleiterbauelementen untersucht, die auf Si-Nanopartikeln basieren. Aus Nanopartikelschichten werden Hall-Messgeometrien im Mikrometermaßstab mit dem Ionenstrahl geschnitten, um so die elektrischen Transporteigenschaften von nanoporösen Materialien zu untersuchen und mit mikro- sowie makroskopischen Modellen zu vergleichen. Die STEM-Funktion des NanoLab wurde zur Untersuchung von Heterostrukturen mit eingebetteten Quantenpunkten, die innerhalb des Kooperationsprojekts QD2D entstanden sind, verwendet. Ziel ist die Herstellung einer Speicherzelle auf Basis von selbstorganisiert gewachsenen Galliumantimonid Quantenpunkten in einer (Aluminium-) GaAs Matrix. Zur Beurteilung der Kristallqualität und insbesondere von Kristalldefekten wie Versetzungen, die beim Wachstum der Quantenpunkte entstehen können, werden hierzu TEM-Lamellen mittels des Ionenstrahls präpariert und mit STEM im NanoLab charakterisiert. Diese Ergebnisse sind wichtig für die weitere Entwicklung der angestrebten Speicherzellen. Innerhalb eines BMBF-Kooperationsprojektes kommt das Gerät im Bereich der Charakterisierung von Bauteilkomponenten von Li-Batterien und Brennstoffzellen zum Einsatz, die Graphen als funktionellen Bestandteil beinhalten. Das NanoLab wird eingesetzt, um zum Beispiel die Morphologie und Homogenität der diversen Komponenten durch Untersuchung der Oberfläche aber auch durch Querschnittspräparationen zu studieren. Dies eröffnet die Möglichkeit, zu untersuchen wie zum Beispiel die Graphennanoplatelets in den Komponenten verteilt sind oder wie die Anbindung an das Aktivmaterial zu bewerten ist. Im Folgenden sind exemplarisch Projekte kooperierender Arbeitsgruppen kurz erläutert. Durch den Einsatz des FIB-Systems konnte eine neue Methode zur Untersuchung der Elektromigration (EM) im Projekt C2 des SFB 616 entwickelt werden. Durch die Kombination von Selbstorganisationsprozessen in Silber und dem FIB-System ist es möglich geworden, EM-Teststrukturen mit einzelnen, klar definierten Korngrenzen herzustellen. Damit war es möglich, den Einfluss verschiedener Korngrenzen-Konfigurationen und Kristallorientierungen auf die strominduzierte Poren- und Hügelbildung in metallischen Leiterbahnen zu studieren. Die ersten Arbeiten zeigen, dass sich die Porenform in einem (001)- und einem (111)-orientierten Ag-Kristall signifikant unterscheiden. Im Projekt Plasmonendynamik & Plasmonenpropagation wird die Ausbreitung von Oberplächenplasmonen (SPPs) in Silberinseln mittels zeitaufgelöster zwei Photonen Photoemissionsmikroskopie untersucht. Zur Strukturierung der Inseln wird neben etablierten Methoden auch die Methode der FIB-Abtragung benutzt. Letztere Methode erlaubt nicht nur eine gezielte und wohldefinierte Strukturierung der Oberfläche, sondern auch die Beobachtung der Wechselwirkung von SPPs mit Licht außerhalb der Silbernanostruktur. Dies eröffnet eine sehr flexible Strukturierung der Inseln und ermöglicht eine umfassende in-situ Charakterisierung der Kopplung von Licht an SPPs in plasmonischen Bauelementen. Das Ziel des Projekts ionenstrahlinduzierte Abscheidung (IBID) von Pt auf Au lag in der Herstellung von Leiterbahnen durch IBID mittels des Pt-Precursorgases im NanoLab, sowie der Charakterisierung des temperaturabhängigen spezifischen Widerstands. Alle hergestellten Leiterbahnen zeigten im Widerstandsverhalten einen halbleitenden Charakter, welcher mit der Leitfähigkeitstheorie für granulare Systeme und dem T5 Gesetz von Grüneisen erklärt werden konnte. Bei wiederholten Messungen zeigte sich eine Veränderung des spez. Widerstands um weniger als 1 %, die auf Alterungseffekte hindeutet. Zudem variiert der spezifische Widerstand mit der Schichtdicke und der Stärke des Ionenstrahl.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Nonlinear Photoemission Microscopy with Surface Plasmon Polaritons. Microsc. Microanal. 16 (Suppl 2), (2010)
F.-J. Meyer zu Heringdorf and M. Buckanie
- Ultrafast electrical charging and discharging of a single InGaAs quantum dot. Applied Physics Letters, 97, 173108 (2010)
J. Nannen, T. Kümmell, M. Bartsch, K. Brunner, and G. Bacher
- Epitaxial Ag wires with a single grain boundary for electromigration. Rev. Sci. Instrum. 82, 123907 (2011)
S. Sindermann, C. Witt, D. Spoddig, M. Horn-von Hoegen, G. Dumpich, and F.-J. Meyer zu Heringdorf
- High performance low temperature solution-processed zinc oxide thin film transistor. Thin Solid Films 519, 5623 (2011)
R. Theissmann, S. Bubel, M. Sanlialp, C. Busch, G. Schierning, R. Schmechel
- Role of oxygen on microstructure and thermoelectric properties of silicon nanocomposites. Journal of Applied Physics, 110, 113515 (2011)
G. Schierning, R. Theissmann, N. Stein, N. Petermann, A. Becker, M. Engenhorst, V. Kessler, M. Geller, A. Beckel, H. Wiggers, and R. Schmechel
- Shape, orientation, and crystalline composition of silver islands on Si(111). IBM Journal of Research and Development 55, 9:1-9:6 (2011)
D. Wall, S. Tikhonov, S. Sindermann, D. Spoddig, C. Hassel, M. Horn-von Hoegen, and F.-J. Meyer zu Heringdorf
- XeF2 gas-assisted focused-electron-beam induced etching of GaAs with 30 nm resolution. Nanotechnology, 22, 045301 (2011)
A. Ganczarczyk, M. Geller and A. Lorke
- Simulation of electromigration effects on voids in monocrystalline Ag films. Phys. Rev. B 85, 035449 (2012)
A. Latz, S. Sindermann, L. Brendel, G. Dumpich, F.-J. Meyer zu Heringdorf, and D.E. Wolf
