Rastersondenmikroskop
Final Report Abstract
Am 18.2.2014 wurde im Fachgebiet Werkstoffe der Elektrotechnik der Universität Duisburg-Essen das Rastersondenmikroskop in Betrieb genommen. Die Besonderheit des beschafften Großgerätes ist die Möglichkeit der Kombination von lokalen optischen (konfokale Photolumineszenz- (PL-) und Raman-Spektroskopie, SNOM), elektrischen (KPFM) und thermischen (SThM) Messungen im sub-Mikrometer- und Nanometerbereich. Die wichtigsten wissenschaftlichen Schwerpunkte der letzten drei Jahre, bei denen das Großgerät eine zentrale Rolle spielte, lagen auf den Gebieten der 2D Materialien und der Lichtemitter und können wie folgt zusammengefasst werden: 1) Hochortsaufgelöste Bestimmung des Kontaktwiderstandes zwischen 2D Materialien und Metall. Diese Thematik wurde im Rahmen mehrerer Projekte mit dem beschafften Gerät bearbeitet. Als Modellmaterial wurde einatomlagiges Graphen verwendet, eingesetzt als leitfähiger Kanal in Hochfrequenz-Feldeffekt-Transistoren. Insbesondere wurde den Fragen nachgegangen, welchen Einfluss Lithographieprozesse und Kontaktdesign auf die Kontakteigenschaften haben. So konnte z.B. die Frage geklärt werden, warum optisch prozessierte Graphen/Metall Kontakte einen um Größenordnungen höheren Widerstand haben als Kontakte, die mit Elektronenstrahllithographie hergestellt wurden. Durch eine Kombination von elektrischen (KPFM) und optischen (Raman) Messungen wurde als Ursache eine nur 3-4 nm dicke Residuenschicht ausgemacht. Des Weiteren wurden neuartige 1-dimensionale Kontaktdesigns untersucht und Widerstände von weniger als 200 Ohm*Mikrometer nachgewiesen. 2) Wachstumsqualität von CVD-Graphen auf Kupfersubstrat. In verschiedenen Projekten wurde der Einfluss der Kupferfolienvorbehandlung, des Kammerdrucks und des Methan-zu-Wasserstoffverhältnisses auf das Graphenwachstum untersucht. Durch eine Kombination von ortsaufgelösten Raman-Messungen und Topographieabbildungen mit dem beschafften Gerät konnte nachgewiesen werden, dass niedrigere Wachstumsraten zu hexagonalen Graphenkörnern führen. Durch das beschaffte Gerät konnte die Defektdichte innerhalb eines Graphenkorns mittels Raman-Spektroskopie studiert werden. Mit dem darauf hin optimierten Prozess wurde Monolagen-Graphen mit einem Schichtwiderstand von < 300 Ohm/sq. hergestellt. 3) Optische Eigenschaften der Übergangsmetalldichalkogenide (TMDC) MoS2 und WS.2 Monolagige Übergangsmetalldichalkogenide besitzen im Gegensatz zu Graphen eine Bandlücke, was diese Materialien für optoelektronische Anwendungen interessant macht. Daher spielt hier neben Raman-Messungen auch hochortsaufgelöste PL-Spektroskopie eine große Rolle bei der Materialanalyse. So konnte eine Änderung der Ladungsträgerpopulation im k-Raum durch elektrische Elektroneninjektion über Änderungen der ortsaufgelösten PL-Signale nachgewiesen werden. Über zweidimensionale PL-Maps mit 300 nm Ortsauflösung wurden mit dem beschafften Gerät neuartige 2D-3D-Heterostrukturen untersucht. Mittels PL-Messungen konnte gezeigt werden, dass der Ladungstransfer zwischen 2D- und 3D-Materialien stark von der Anregungswellenlänge abhängt. Dies wurde auf den Einfluss der Impulserhaltung aufgrund der Unterschiede in der Bandstruktur zwischen 2D- und 3D-Halbleitern zurückgeführt. 4) Lumineszenzeigenschaften von Core/Shell Nanodrähten als Lichtemitter und Solarzellen. Neuartige Konzepte von Lichtemittern und Solarzellen basieren auf 3-dimensionalen anstelle der zurzeit verwendeten planaren Strukturen. Eine wichtige Fragestellung z.B. bei GaN/InGaN Core/Shell Nanodraht-Strukturen ist die nach dem Einfluss der Polarität der verschiedenen Kristallflächen auf das Lumineszenzverhalten. Durch Kombination von konfokalem Photolumineszenz-Mapping und leistungsabhängiger Photolumineszenz-Spektroskopie konnte der Einfluss elektrischer Felder auf die Ladungsträgerverluste in den Quantum-Wells der Drahtstrukturen lokal nachgewiesen werden. Hochortsaufgelöste Messungen der spektralen Lage der Emission gaben Aufschlüsse über Materialansammlungen an der Drahtspitze, die Intensitätsverteilung entlang eines einzelnen Nanodrahtes erlaubte die Bestimmung der ortsabhängigen PL-Effizienz. Seit Inbetriebnahme wurden 18 Projekt-, Bachelor- und Masterarbeiten durchgeführt. Acht Dissertationsprojekte profitierten im Berichtszeitraum erheblich vom Gerät.
Publications
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