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News: Wie elastisch sind Nanostrukturen?

Im Berliner Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik (PDI) wurde ein Weg gefunden, um die "Elastizität" von Nanostrukturen zu messen. Die Elastizität beeinflußt deutlich Funktionsprinzip und Design von Halbleiter- Bauelementen. Grundlage des Verfahrens ist die Kopplung von Rastersondenmikroskopie und Ultraschallprüfung.
Mit den neuen "Nano"-Mikroskopen, die etablierte Meßtechniken kombinieren, kann erstmals die Elastizität von Nanostrukturen quantitativ bestimmt werden. Die Messung einer schwingenden Oberfläche mit atomarer Auflösung stellt eine Pionierleistung dar. Mit der neuen Meßtechnik verbessern sich Beobachtung und Messung an zukünftigen Bauelementen der Kommunikationstechnik, etwa bei Hochfrequenzfiltern für Mobiltelefone.

In den letzten Jahren hat sich eine neuartige Familie von Mikroskopen zur Untersuchung von Oberflächen etabliert. Am Anfang stand 1986 das Rastertunnelmikroskop (scanning tunneling microscope – STM), dem das Rasterkraftmikroskop (atomic force microscope – AFM) und weitere Rastersondenmikroskope folgten. Bei der Messung wird in rasterartigem Flug mit einer sehr spitzen Meßsonde – nur ein Atom ist ganz vorn – die Oberfläche eines Festkörpers abgetastet. Die Flughöhe wird über eine Regelelektronik konstant gehalten, wobei der Regelstrom ein Abbild der Topographie der Oberfläche darstellt. Das Prinzip hat sich als so robust herausgestellt, daß man damit einzelne Atome ortsaufgelöst abbilden und messen kann. So wurde ein neuer Weg für Beobachtungen in der Nanowelt eröffnet.

Mit diesen Rastersondenmikroskopen konnte man auf der Nanometerskala bisher Oberflächen zwar auf ihre Topographie, ihre elektrischen, magnetischen und thermischen Eigenschaften sowie die Reibung untersuchen. Doch zu den elastischen Eigenschaften gibt es keinen befriedigenden Zugang. Wie man im Makroskopischen bei einem unbekannten Werkstoff durch Drücken dessen Nachgiebigkeit testet, will man diese Eigenschaft auch bei Nanostrukturen ermitteln. Allerdings sind die feinen Nadeln der Rastersondenmikroskope für eine solche zerstörungsfreie Prüfung der Elastizität nicht geeignet. Es können nur stark unterschiedlich elastische Materialien qualitativ unterschieden werden.

Die elastischen Eigenschaften von Nanometerstrukturen will man aber quantitativ kennen, weil sie die optischen und elektronischen Eigenschaften der Bauelemente beeinflussen. Die elastischen Eigenschaften sind damit bedeutsam für Funktion und gezieltes Design neuer Halbleiter-Bauelemente. Man suchte deshalb am Paul-Drude-Institut nach einem anderen Weg, um ein Meßverfahren für die Elastizität von Nanostrukturen zu entwickeln.

Jeder kennt die Klangprüfung, etwa beim Kauf von Weingläsern. Wie sich der Klang eines in Schwingung versetzten Glases ändert, wenn dieses einen Sprung hat, so beeinflussen kleinste Risse und Inhomogenitäten in einem Werkstück das Ausbreitungsverhalten der akustischen Welle. Dieser Tatsache bedient man sich bei der Prüfung großer Werkstücke mit Ultraschall, das ist Schall bei viel höheren Frequenzen als sie das menschliche Ohr wahrnehmen kann.

Am Paul-Drude-Institut hat man nun im Prinzip die Rastersondenmikroskopie mit der Ultraschallprüfung verbunden und erfolgreich akustische Wellen auf der Nanometerskala mit dem STM und AFM untersucht. In den meisten Fällen müssen oberflächennahe Strukturen charakterisiert werden. Dafür bieten sich akustische Oberflächenwellen (surface acoustic waves – SAW's) an mit typischen Frequenzen von zehn Mega- bis zehn Gigahertz und Geschwindigkeiten um 3000 Meter pro Sekunde sowie Wellenlängen zwischen einigen hundert Mikro- und einigen hundert Nanometern.

Das experimentelle Problem ist der Nachweis der hochfrequenten akustischen Wellen mit den Rastersondenmikroskopen, denn das Meßsignal läßt sich dem Mikroskop nicht so ohne weiteres entlocken. Der Schlüssel zu den schnellen Vorgängen auf der Oberfläche ist beim STM wie beim AFM eine immanente Nichtlinearität. Aus der Elektrotechnik ist bekannt, daß sich mit einer Diode mit nichtlinearer Strom-Spannungs-Kennlinie Signale unterschiedlicher Frequenz mischen lassen. Bei STM und AFM wird speziell ein Signal bei einer Differenzfrequenz genutzt, das bequem mit kommerziellen Mikroskopen nachzuweisen ist und doch alle Informationen über den schnellen Vorgang trägt. Mit dem STM konnten Phasen der Schwingungszustände einzelner Atome gemessen werden. Mit dem AFM gelang die Bestimmung der SAW-Geschwindigkeit in einem Gebiet von nur 20 nm Länge und wenigen Nanometern Breite.

Ein erfreulicher Nebeneffekt ist, daß die neuen Mikroskope Beobachtung und Messung von SAW bei Frequenzen ermöglichen, die in zukünftigen Bauelementen der Kommunikationstechnik, zum Beispiel in Hochfrequenzfiltern für Mobiltelefone, benötigt werden. Das AFM kann dort zu einem wichtigen Diagnosegerät für solche SAW-Bauelemente werden. Es kann bestimmte akustische Wellenparameter bei hohen Frequenzen erstmalig der Messung zugänglich machen und damit das Design neuer Bauelemente wesentlich unterstützen.

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