Mikroskopische Aufnahmen neu gedeutet
Eine Dresdner Forscherin entdeckte, dass Aufnahmen mit einem Raster-Kelvin-Mikroskop, das seit 1991 genutzt wird, neu interpretiert werden müssen
Eine Doktorandin im Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD) entdeckte, dass Aufnahmen mit einem Raster-Kelvin-Mikroskop, das seit 1991 genutzt wird, neu interpretiert werden müssen.
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.
Abb.: Schematische Darstellung: eine Mess-Spitze eines Raster-Kelvin-Mikroskops über einem dotierten Halbleiter mit dünner Oxidschicht (symbolisch grau-blaue oberste Atomlage). Links: Den besetzten Oberflächenzuständen zwischen Oxidschicht und Halbleiter (rot) steht die gleiche Anzahl unabgeschirmter ionisierter Dotieratome (dunkelblau) gegenüber. Der resultierende asymmetrische elektrische Dipol verursacht eine Auslenkung der Mess-Spitze. Mitte: Durch die angelegte Spannung werden bewegliche Majoritätsladungsträger in den Halbleiter eingebracht (orange), die die unabgeschirmten ionisierten Dotieratome abschirmen. Rechts: Dadurch verschwindet die elektrostatische Kraft auf die Mess-Spitze und sie bewegt sich zurück in ihre Ausgangslage. Die angelegte Spannung wird gemessen und ist abhängig von der Konzentration der Dotieratome. (Bild: Sander Münster, Kunstkosmos)
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.
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.
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.
Baumgart beschäftigt sich in ihrer von 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 Baumgart.
Forschungszentrum Dresden-Rossendorf
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