Eintauchen in die Nanosphaere

12.11.2000 - (idw) Weizmann Institut

Wissenschaftler des Weizmann Instituts entwickeln eine erheblich bessere Methode zur Bewertung ultraduenner Filme. Moegliche Vorteile sind verschiedene mikroelektronische Anwendungen und ein verbessertes Verstaendnis chemischer und biologischer Systeme.

Koennen Sie sich vorstellen, die Schichten einer Buttercremetorte zu bestimmen, ohne den Kuchen anzuschneiden? Bei nanoskopisch kleinen Schichten ist dies nun moeglich.

Seit Jahrzehnten denken grosse Koepfe in immer kleineren Massstaeben. So zum Beispiel bei ultraduennen Filmen. Ultraduenne Filme, die oft weniger als 10-15 Nanometer dick sind, werden in unterschiedlichen Bereichen angewandt, von Optoelekronik bis zu biologischen Sensoren. (Ein Nanometer ist rund ein hunderttausendstel des Durchmessers eines menschlichen Haares.)

Eine zentrale Anforderung fuer solch lilliputanische Leistungen ist die akkurate Zusammensetzung und Strukturanalyse. Um jedoch einen Blick "in die Filme" zu werfen, die oftmals aus verschiedenen Schichten bestehen, benoetigt man hochempfindliche Messungen. Die zur Verfuegung stehenden Techniken liefern oft nicht die Art von Informationen, die zur Bewertung der Schichtstrukturen notwendig sind. (Analog dazu liefern Roentgenstrahlen zwar einen hervorragenden Einblick ins Koerperinnere, doch die relative Tiefe einzelner Gewebsarten ist mit ihrer Hilfe nur schwer zu bestimmen.) Techniken, die dieses Problem loesen sollen, sind allgemein kompliziert und beschaedigen oft die Materialprobe, was die Messergebnisse beeintraechtigt.

Dr. Hagai Cohen vom Chemischen Dienst des Weizmann Instituts und Prof. Israel Rubinstein von der Abteilung Materialien und Grenzflaechen haben nun eine neuartige Methode zur Untersuchung ultraduenner Filme entwickelt, vor allem fuer nicht-leitende Filme auf leitfaehigen Substraten. Ihre Studie, die kuerzlich in der Zeitschrift Nature erschien, stuetzt sich auf Roentgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS), eine uebliche Technik zur Oberflaechenanalyse.

Bei XPS wird die Probe Roentgenstrahlen ausgesetzt, wodurch Photoelektronen herausgeschleust werden. Durch Messung der Energie der Photoelektronen ist es moeglich, die Atome zu bestimmen, von denen sie stammen. Forscher setzen dabei normalerweise einen Elektronenstrahler ein, um die positve Oberflaechenladung zu neutralisieren, die sich bei nicht-leitfaehigen Proben als natuerliche Konsequenz des Elektronenausstosses bildet, da die Ladung die Energie der Photoelektronen beeinflusst und die Messergebnisse beeintraechtigt.

Cohen und Rubinstein erkannten aber auch, dass der Effekt der Oberflaechenladung Rueckschluesse auf den Aufbau der Probe zulaesst - die Hoehe der Energieaenderung des Photoelektrons korrelliert direkt mit der Tiefe des Atoms innerhalb des Films (je tiefer das Atom, desto kleiner die Aenderung). Sie beschlossen, den entgegengesetzten Blickwinkel einzunehmen und setzten den Elektronenstrahler ein, um die Probe mit Elektronen von geringer Ladung zu bestrahlen. Die auf diese Weise negativ geladene Oberflaeche fuehrte zu kontrollierten, leicht messbaren Aenderungen in der Energie der Photoelektronen. Durch Messung dieser Aenderungen gelang es den Forschern, sowohl den Atomtyp als auch seine Tiefe innerhalb des Films zu bestimmen.

Um ihren Ansatz zu ueberpruefen, benutzten die Wissenschaftler eines ihrer frueheren Forschungsergebnisse: einen hoch organisierten, ultraduennen Film, den sie mit Markeratomen in unterschiedlichen Tiefenschichten versehen hatten. Als sie das Verfahren mit diesem System testeten, lieferte die neue Methode Informationen ueber die Tiefe (einzelner Schichten) mit einer hoeheren Aufloesung von etwa einem Nanometer, wobei die Probe nur minimal beschaedigt wurde. Der Versuch bot auch einen einzigartigen Nebenefekt - er gab Aufschluss ueber die elektrischen Eigenschaften des Films.

Diese Neuerung des Weizmann Instituts koennte sich fuer die Entwicklung einer Vielzahl mikroelektronischer Anwendungen als nuetzlich erweisen, ebenso fuer die Untersuchung verschiedenster chemischer und biologischer Systeme.

Die Studie wurde gemeinsam mit Prof. Abraham Shanzer von der Abteilung Organische Chemie, Dr. Alexander Vaskevich von der Abteilung Materialien und Grenzflaechen, und mit den Doktoranden Ilanit Doron-Mor, Anat Hatzor und Tamar van der Boom-Moav durchgefuehrt.

Prof. Israel Rubinsteins Forschung wird unterstuetzt vom Philip-Klutznick-Fonds fuer naturwissenschaftliche Forschung, der Minerva-Stiftung, dem Henri-Gutwirth-Fonds fuer Forschungsfoerderung und dem Fritz-Haber-Zentrum fuer Physikalische Chemie.