Kohärente Röntgenstreuung an individuellen SiGe/Si Nanostrukturen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Projekt gelang es, in Experimenten mit hochenergetischer Röntgenstrahlung einzelne Halbleiter-Nanostrukturen zu beleuchten und deren Beugungsbilder zu interpretieren. Dafür wurden erstmalig Röntgenstrahlen mit einem Durchmesser von bis zu 100 nm verwendet - zum Vergleich: Dies entspricht in etwa dem Tausendstel eines durchschnittlichen menschlichen Haardurchmessers. Wir konnten diese neue Methode an niedrigdimensionalen Pyramiden aus Silizium- Germanium sowie so genannten Quantenpunktmolekülen anwenden. Quantenpunkte haben eine derart geringe räumliche Ausdehnung, dass sich Ladungsträger in ihnen nach den Gesetzen der Quantenmechanik verhalten. So können Elektronen lediglich diskrete Energieniveaus annehmen. Quantenpunktmoleküle hingegen sind Ensembles aus einzelnen Quantenpunkten, die sehr dicht beieinander liegen. Damit wird ein Tunneln der Ladungsträger von einem Quantenpunkt in den nächsten ermöglicht. Diese Quantenpunktmoleküle können sich dadurch wie künstliche Moleküle verhalten, analog zu chemischen Molekülen, die aus Atomen bestehen in denen Elektronen ebenfalls diskrete Energien (Bahnen) aufweisen, die sich mit denen benachbarter Atome überlappen können. Quantenpunkte und Quantenpunktmoleküle werden beispielsweise für optische Anwendungen und so genannte Quantencomputer diskutiert, wobei jedoch die Materialqualität und Materialverspannungen von großer Bedeutung ist. Um den Herstellungsprozess zu erforschen und die Eigenschaften der Quantenpunkte zu studieren, wird im Falle kristalliner Materialien häufig auf Beugungsmethoden gesetzt. Die Verwendung von Röntgenbeugung, im Gegensatz z.B. zu Elektronenbeugung, hat dabei den Vorteil, für die zu untersuchenden Objekte weitgehend zerstörungsfrei zu sein. Anhand der Beugungsbilder können Form, Anordnung und Dehnung oder oft sogar die Zusammensetzung der Objekte analysiert werden. So wurde in unseren Experimenten das Dehnungsfeld in und unterhalb der Nanostrukturen analysiert. Auch Seitenflächen von Pyramiden konnten beleuchtet werden, die weniger als 1 µm groß waren - demnach ca. 1000-fach kleiner als ein Stecknadelkopf. Anhand der Beugungsbilder konnten die Winkel dieser Facetten bestimmt und damit auch die Funktionsfähigkeit der neuen Methode demonstriert werden. So genannte Mikrofluoreszenz-Mikroskopie entpuppte sich dabei als eine sehr wirkungsvolle Methode, um einzelne Nanostrukturen selektiv zu bestrahlen. Röntgenstrahlen regten das beleuchtete Material dabei derart an, dass dies abhängig vom getroffenen Material Photonen einer bestimmten Wellenlänge aussandte. Diese Photonen werden detektiert und die so ermittelte Intensität in Abhängigkeit von der Strahlposition aufgetragen. So kann ein mikroskopisches Abbild der unterschiedlichen Materialien erstellt werden und die Strahlposition auf ein zu untersuchendes Objekt eingestellt werden. In den Experimenten an SiGe-Inselensembles konnten Beugungsmuster beobachtet werden, deren Deutung zunächst unklar war. Eine aufwändige Auswertung mittels Streusimulationen zeigte dann, dass diese mit der Anordnung, Abstand und Orientierung der SiGe-Inseln zusammenhängen, die vom nanofokussierten Strahl beleuchtet wurden. Die Simulation der Beugungsbilder wurde weiterentwickelt und ermöglicht u.a. auch das virtuelle Abrastern einer Probe mit einem Strahl. Die Erkenntnisse unserer Experimente und Simulationsverfahren stellen einen Beitrag für die Interpretation zukünftiger Beugungsmessungen mit nanofokussierten Röntgenstrahl an niedrigdimensionalen Halbleiterstrukturen dar.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- ESRF Spotlight on Science
M. Hanke, M. Dubslaff, M. Schmidbauer, et al.
- Appl. Phys. Lett. 92, 193109 (2008)
M. Hanke, M. Dubslaff, M. Schmidbauer, et al.
- Appl. Phys. Lett. 95, 023103 (2009)
M. Hanke, M. Dubslaff, M. Schmidbauer, et al.
- Appl. Phys. Lett. 96, 133107 (2010)
M. Dubslaff, M. Hanke, S. Schöder, et al.
- Appl. Phys. Lett. 98, 213105 (2011)
M. Dubslaff, M. Hanke, M. Burghammer, et al.
- Virtual Journal of Nanoscale Science & Technology, June 6 (2011)
M. Dubslaff, M. Hanke, M. Burghammer, et al.
