Einmal durchleuchtet – dreifacher Informationsgewinn

  • 19. December 2017

Neues Messverfahren für aktive nano­skalige Bau­teile.

Die Funktion 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, einer Diode oder eines Tran­sistors ver­halten und was passiert, wenn sie sich mit­ein­ander ver­binden. Forscher der Uni 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.

Laborbild

Abb.: Die Forscher Andreas Johannes (l.) und Carsten Ronning in einem Labor am Institut für Fest­körper­physik der Uni Jena. (Bild: J.-P. Kasper, U. Jena)

„Mit unserer Methode können wir gleichzeitig Infor­ma­tionen über die Kompo­si­tion der Elemente, über ihre Oxida­tions­stufe, sowie über interne elek­trische Felder abrufen“, erklärt Projekt­leiter Carsten Ronning. „Das sind alles elemen­tare Indi­ka­toren für die Funktion des Bau­teils.“ Bei der Vor­gehens­weise, die das Team gemein­sam mit Kollegen aus Grenoble, Madrid und Wien ent­wickelt hat, müssen die zu unter­suchenden Bau­teile nicht auf­wändig prä­pa­riert oder gar zer­stört werden. „Wir könnten die Dioden eines ein­ge­schal­teten Handys durch­leuchten, ohne dass es beschädigt werden würde“, so Ronning.

Ausschlaggebend für den Forschungsansatz ist ein sehr dünner Röntgen­strahl, mit dem die Forscher zunächst ein eigens für ihre Experi­mente ange­fertigtes Bau­teil durch­leuchtet haben. „Wir haben in einen etwa zwei­hundert Nano­meter dicken Silizium­draht Arsen- und Gallium­atome ein­ge­bracht, die sich durch Erhitzen an einem Punkt agglo­me­rieren, wo­durch ein funk­tions­fähiges Bau­teil ent­steht“, erklärt Ronning. „Dann sind wir den Draht mit einem fünfzig Nano­meter dicken Röntgen­strahl ent­lang­ge­fahren und haben ihn so Stück für Stück bestrahlt.“ Die Wissen­schaftler stellten dabei fest, dass das Element­gemisch die Röntgen­strahlung 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 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.

„All diese Informationen durch eine Messung lassen sich bisher nur durch unsere Methode gewinnen“, sagt 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 sei dagegen nahezu unab­hängig von einer spezi­ellen Um­ge­bung.

Bisher können solche feinen Röntgenstrahlen nur Teilchen­beschleu­niger erzeugen, wes­wegen die Forscher für die Ent­wick­lung der neuen Mess­methode eng mit der Euro­pean Synchro­tron Radia­tion Faci­lity im franzö­ischen 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 Johannes. „Denn auch diese möchten Forscher vor allem in Betrieb und voll funk­tions­fähig unter­suchen, um etwa die Oxida­tions­stufen der Elemente heraus­zu­lesen.“

FSU / RK

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