Sekundärionen-Massenspektrometer (SIMS)

• Subject Area: Materials Science
• Term: from 2010 to 2011
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 191224064

• Final Report Year: 2015

Final Report Abstract

Das kombinierte Sekundärionen- und Neutralteilchen-Massenspektrometer (SIMS, SNMS) wird vor allem für die Untersuchung atomarer Transportvorgänge in oxidischen Einkristallen und Schichtsystemen sowie in Komponenten von Bauelementen wie Solarzellen eingesetzt. Dabei werden sowohl Konzentrationstiefenprofile zuvor eingebrachter stabiler Tracer wie Sauerstoff-18 oder auch Element-Tiefenprofile ermittelt. Wesentlich ist, dass ein derartiges massenselektives System Isotope unterscheiden kann. In einigen Fällen wird die Stöchiometrie von Proben mittels SNMS bestimmt. Die spezifischen Vorteile des Systems, d. h. eine hohe Tiefenauflösung, die Umschaltbarkeit zwischen dem SIMS- und SNMS-Modus innerhalb eines Messzyklus etc. liefern qualitativ hochwertige Daten. Letzteres wird durch die Verwendung verschiedener Ionenquellen unterstützt. Von Bedeutung ist weiterhin, dass dreidimensionale Elementprofile zur Ermittlung der Anisotropie von Transportvorgängen aufgenommen und in enger Kooperation mit dem Gerätehersteller Lösungen für spezifische Messaufgaben gefunden werden. Das Massenspektrometer ist zwischenzeitlich eine fundamentale Stütze der Abteilung und wird von dieser zu etwa 50 % ausgelastet. In der verbleibenden Zeit werden Messungen für andere Abteilungen des Institutes und vor allem für externe Partner durchgeführt. Innerhalb der Abteilung werden beispielsweise der Sauerstofftransport in nanoskaligen Strontiumtitanat basierten Schichtsystemen untersucht und mit Hilfe dreidimensionaler Profile lokale Diffusionskoeffizienten berechnet. Die Arbeiten werden im Rahmen einer Kooperation mit dem Technion Haifa, Israel, durchgeführt. Weiterhin werden die Zusammensetzung dünner piezoelektrischer Langasit-Schichten im Vergleich zum Substrat untersucht und Aussagen zu Grenzflächenreaktionen getroffen. Die Arbeiten führen zu einem DFG-Antrag, der zwischenzeitlich bewilligt ist. Darüber hinaus werden Komponenten funkabfragbarer Langasit basierter Oberflächenwellen-Sensoren- Sensoren in Bezug auf Reaktionen mit den Elektroden und die Verarmung an Gallium untersucht. Als Ergebnis dieser im Rahmen eines EU-FP7-Projektes (mehrere EU-Partner sowie Russland) durchgeführten Arbeiten werden Deckschichten entwickelt und verifiziert, die Galliumverluste praktisch vollständig verhindern. Im Bereich der Sensorik werden mittels TiO2- und CeO2- beschichtete poröser Gläser charakterisiert. Serviceleistungen für andere Institute und Einrichtungen umfassen beispielsweise die Untersuchung der Kinetik des Sauerstoffaustausches zwischen dotiertem CeO2 und der Gasphase. Dabei handelt es sich um eine Kooperation des betreffenden Institutes mit dem „Helmholtz Virtual-Institute“ im Rahmen des Projektes SolarSynGas. Weitere Arbeiten betreffen die Sauerstoffdiffusion in einkristallinem Yttriumsilikat, die für die Nationale Technische Universität Athen, Griechenland, durchgeführt werden. Zu nennen ist weiterhin die Ermittlung von oberflächennahen Schwefeltiefenprofilen, die mit Hilfe von Femtosekunden-Laserpulsen an Siliziumoberflächen in einer SF6-Atmosphäre geschaffen werden. Ein weiteres Materialsystem hat ebenfalls Solarzellen zum Gegenstand. Dabei wird die Wechselwirkung zwischen ZnO und Polymeren (PEDOT:PSS) sowie das Sauerstoffdefizit in ZnO im Rahmen eines BMWI-Projektes untersucht. Auch externe Partner haben die Charakterisierung piezoelektrischer Materialien in Auftrag gegeben. Ein Beispiel bildet der Sauerstofftransport in LiNbO3/Si-Multischichten. Weiterhin werden zahlreiche Analysen zur Bewertung der Einsatzmöglichkeiten des SIMS/SNMS-Systems für unkonventionelle Materialsysteme erprobt. Genannt sei die SMNS-Analyse von Holzoberflächen. Hier kommt es zur Verschleppung von Kohlenstoff, was die Einsatzmöglichkeiten des Systems einschränkt. Zusätzlich wird das System im Rahmen von Graduiertenschulen für Demonstrationsversuche genutzt um beispielsweise die Möglichkeiten der Charakterisierung von Materialsystemen für Lithium-Ionen-Batterien zu zeigen. Abschließend soll betont werden, dass die permanente Zugänglichkeit des Systems und die zwischenzeitlich gesammelten Erfahrungen neue Forschungsperspektiven eröffnen und bisher zu zahlreichen Publikationen und Studienabschlussarbeiten geführt haben.

Publications

• „Thin Film Electrodes for Surface Acoustic Wave Devices at High Temperatures“. Procedia Engineering, Volume 25, 2011, pp. 168-171
  D. Richter, M. Schulz, S. Sakharov, J. Davis, E. Forsen, H. Fritze
  
• „Langzeitstabilität von akustischen Langasit-Sensoren bei hohen Temperaturen“. 16. GMA/ITG-Fachtagung Sensoren und Messsysteme 2012, 2012, pp. 700-701
  D. Richter, J. Sauerwald, H. Fritze
  
• „Laser Processed Black Silicon for Photovoltaic Applications“. Energie Procedia 27, P. 390-395 (2012)
  S. Kontermann, T. Gimpel, A.L. Baumann, K.M. Günther, W. Schade
  
• „Optimization of wafer orientation and electrode materials for LGS high-temperature SAW sensors“. IEEE-IUS, Dresden
  S. Sakharov, A. Zabelin, S. Kondratiev, D. Roshchupkin, D. Richter, H. Fritze, A. Shvetsov, S. Zhgoon
  
• „Schwingungsverhalten von Langasit-Resonatoren bei unterschiedlicher Elektrodenleitfähigkeit“. 16. GMA/ITG-Fachtagung Sensoren und Messsysteme 2012, 2012, pp. 467-468
  S. Schmidtchen, D. Richter, H. Fritze
  
• „Structural and optical property tailoring of black silicon with fs-laser pulses“. MRS Proceedings, 1405 (2012)
  S. Kontermann, A.L. Baumann, T. Gimpel, K.M. Günther, A. Ruibys, U. Willer, W. Schade
  
• „Transport and Electromagnetical Properties of Stoichiometric Lithium Niobate at High Temperature“. Zeitschrift für Physikalische Chemie, Band 226, Heft 5-5, 2012
  A. Weidenfelder, H. Fritze, P. Fielitz, G. Borchardt, J. Shi, K.D. Becker, S. Ganschow
  
• „Variation of the Vibration Profile of Piezoelectric Reso-nant Sensors with Different Electrode Conductivity at High Temperatures“. Proceedings of IMCS 2012, 2012, pp. 888-891
  S. Schmidtchen, D. Richter, H. Fritze
  
• „Electrochemical behavior of anodically obtained titania nanotubes in organic carbonate and ionic liquid based Li ion containing electrolytes“. Electrochimica Acta, 104, P. 228-235 (2013)
  S. Ivanov, L. Cheng, H. Wulfmeier, D. Albrecht, H. Fritze, A. Bund
  
• „Electronic and Ionic Transport Mechanisms of Stoichiometric Lithium Niobate at High-Temperatures“. MRS Proceedings, 1519 (2013)
  A. Weidenfelder, M. Schulz, P. Fielitz, G. Borchardt, K.D. Becker, H. Fritze
  
• „Electronic and structural properties of femtosecond laser sulfur hyperdoped silicon pn-junctions“. Applied Physics Letters 103, 061904, 2013
  P. Sharing, A.L. Baumann, B. Schlieper-Ludewig, S. Kontermann, W. Schade
  
• „Investigation of the sulfur doping profile in femtosecond-laser processed silicon“. Applied Physics Letters, 102:202104, 2013
  K.M. Günther, T. Gimpel, S. Kontermann, W. Schade
  
• „Miniaturized Resonant Sensors for Harsh Environments“. Proceedings of SPIE, Volume 8725, 2013, 87250J-1-15
  S. Schmidtchen, D. Richter, J Sauerwald, H. Fritze
  
• „Surface Acoustic Wave Devices: Materials Stability in Harsh Enviroments“. MRS Proceedings, 1519 (2013)
  D. Richter, M. Schulz, S. Sakharov, Z.J. Davis, H. Fritze
  
• „Tantalum and niobium diffusion in single crystalline lithium niobate“. Solid State Ionics, 259 (2014) 14-20
  P. Fielitz, G. Borchardt, S. Ganschow, R. Bertram, R.A. Jackson, H. Fritze, K.-D. Becker