Neuer Wert für den Oberflächenwiderstand von Silizium

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Multi-Spitzen-Rastertunnelmikroskop – Neues Multimeter für die Nanowelt

Für ihre Experimente verwendeten die Wissenschaftler um Bert Voigtländer ein Rastertunnelmikroskop mit mehreren Spitzen, das sie speziell für die Messung der elektronischen Eigenschaften entwickelt haben. „Man kann sich das vorstellen wie ein Multimeter, also ein Gerät zur Strom- und Spannungsmessung, nur auf der Nanoskala“, erläutert Voigtländer. In der Ausgründung mProbes arbeitet Voigtländer nun daran, die Jülicher Erfindung auch anderen Forschungsgruppen zugänglich zu machen.

Dieses Multispitzen-Mikroskop bringt mithilfe spezieller vibrationsarmer Nanomotoren, der sogenannten Koaladrives, vier Messspitzen auf engstem Raum zusammen. Während bei einem Zweispitzen-Instrument immer auch die elektrischen Widerstände an den Kontaktstellen mitgemessen werden, lässt sich mit vier Spitzen die Leitfähigkeit ermitteln, ohne dass die Kontaktwiderstände der Elektroden das Ergebnis verfälschen. Der Auswertung der Messdaten legten die Forscher ein neu entwickeltes Modell zugrunde, welches nicht nur zwischen der Stromleitung über die Oberfläche und im Inneren unterscheidet, sondern daneben auch verzweigte Übertragungswege über mehrere Schichten hinweg berücksichtigt.

„Die Analyse-Methode, die wir entwickelt haben, lässt sich auch auf verschiedenste andere Systeme in der Nanoelektronik anwenden. Mithilfe unseres Ansatzes wird es beispielsweise möglich, Leckströme, die in elektronischen Bauelementen ungewollt über die leitfähigen Oberflächen fließen, exakt zu berechnen. So lassen sich deren negative Auswirkungen auf die Effizienz der Bauteile schon in der Entwicklungsphase mit berücksichtigen und so weit wie möglich minimieren. Andererseits könnten Oberflächen aber auch gezielt als zusätzliche leitfähige Kanäle genutzt werden“, erläutert Sven Just, Doktorand am Jülicher Peter Grünberg Institut. Die präzise Messtechnik schafft auch neue Möglichkeiten für den Bau von Sensoren, etwa zum Nachweis von Gasen, die im Kontakt mit der Oberfläche deren Leitfähigkeit beeinflussen.

Untersuchung von topologischen Isolatoren als nächstes Ziel

Als nächstes Ziel haben die Forscher nun die Untersuchung von topologischen Isolatoren im Visier: Die Materialklasse gilt aufgrund ihrer ungewöhnlichen Eigenschaften als Top-Kandidat für neuartige nanoelektronische Bauelemente der Zukunft. Entsprechende Materialien verhalten sich im Innern wie ein elektrischer Isolator, der den Strom nicht leitet, während sie den elektrischen Strom an ihrer Oberfläche ähnlich gut leiten wie ein elektrischer Leiter, was die Tür zu neuen Anwendungen in der Informationsverarbeitung und Sensorik öffnen könnte.

Originalpublikation:Surface and Step Conductivities on Si(111) Surfaces Sven Just, Marcus Blab, Stefan Korte, Vasily Cherepanov, Helmut Soltner, Bert Voigtländer, Phys. Rev. Lett. 115, 066801 (2015) – Published 3 August 2015

* T. Schlößer: Forschungszentrum Jülich GmbH, 52428 Jülich

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