Messung der Zusammensetzung von Nanostrukturen durch Quantifizierung von Z-Kontrast in der Rastertransmissionselektronenmikroskopie

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Rosenauer
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2009 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 134655250

Das abgeschlossene Vorhaben befasste sich mit der Entwicklung eines Verfahrens, chemische Zusammensetzungen aus der gemessenen Hochwinkelstreuintensität (HAADF) in der Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM) quantitativ mit hoher Genauigkeit zu bestimmen. Die auf einem Vergleich von Experiment und Simulation basierende Methode wurde weit über die Antragsziele hinaus erweitert und auf viele Materialien mit bis zu zwei unbekannten chemischen Konzentrationen angewendet.Während die Streuintensität bisher in einem durch Kameralänge und Detektorgeometrie vorgegebenem Winkelbereich integral gemessen wurde, soll im Rahmen des Forsetzungsantrags eine winkelabhängige Messung ermöglicht werden. Da die Winkelverteilung der Streuintensität von Elementkonzentrationen, von der Art des Streuprozesses (z.B. thermisch diffuse Streuung oder Streuung an statischen atomaren Verschiebungen) sowie von Gitterverzerrungen abhängt, eröffnet eine Messung der Streuintensität in frei wählbaren Winkelbereichen wertvolle Zusatzinformation, die zur gleichzeitigen Anpassung verschiedener Parameter wie Elementkonzentrationen und/oder Probendicke verwendet werden kann. Dabei wird die Aufnahme von STEM-Abbildungen für beliebig wählbare Winkelbereiche durch eine oberhalb des HAADF-Detektors eingebaute Irisblende realisiert. Durch mehrere Aufnahmen bei unterschiedlichen Detektionswinkeln wird die Winkelverteilung der gestreuten Elektronen zugänglich. Speziell befasst sich das Vorhaben mit der Methodenweiterentwicklung zur gleichzeitigen Messung von lokaler Probendicke und der chemischen Konzentration eines unbekannten Elements (z.B. Probendicke und In-Gehalt in InGaN) und zur gleichzeitigen Messung zweier unbekannter Konzentrationen (z.B. In und Al in InAlGaN). Wie in Vorarbeiten mit einem Irisblendenprototyp (Eigenbau) gezeigt, erlaubt die Methode Aufnahmen, in denen z.B. Verspannungseinflüsse entweder bewusst dargestellt oder gezielt vermieden werden können - so ergeben sich neue Möglichkeiten der Untersuchung, beispielsweise von MOSFET-Strukturen, bei denen Verzerrungen durch Stressoren eingebracht werden, um die elektronischen Eigenschaften zu ändern. Unsere Vorarbeiten zeigen, dass im Bereich kleiner Streuwinkel (<40 mrad) Abweichungen zwischen Experiment und Simulation auftreten. Ein weiterer Schwerpunkt des Vorhabens soll daher die Quantifizierung der Intensität in kleinen Winkeln sein. So soll der Einfluss von Plasmonenstreuung auf den Kleinwinkelbereich experimentell untersucht und durch verschiedene Ansätze in unsere Simulationen implementiert werden.In Koorperation mit unterschiedlichen Arbeitsgruppen und Projekten soll die vorgeschlagene Methode zur Untersuchung von Quantenpunkten, quaternären Schichten, Segregationseffekten, Nanopartikeln inhomogener Zusammensetzung sowie nanoporösem Gold und SiGe-MOSFET-Strukturen eingesetzt werden und damit einen wesentlichen Beitrag zum Verständnis von Halbleiternanostrukturen und Katalysatoren leisten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen