Großgeräte

Hauptkomponenten:

• Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop Quattro S von FEI
• Kathodolumineszenzsystem SPARC von Delmic
• Streakkamera StreakScope S-20 von Hamamatsu

Mit dem neuen Kathodolumineszenzaufbau können Nanostrukturen sowohl mit hoher Ortsauflösung (Δx<50 nm), als auch mit hoher Zeitauflösung (Δt<100 ps) untersucht werden.
Die Kathodolumineszenz basiert auf der Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren infolge von Anregung mit einem Elektronenstrahl. Die Zeitauflösung im sub-Nanosekunden-Bereich wird durch Verwendung eines gepulsten Elektronenstrahls erreicht. Die Rekombinationkinetik der Elektron-Loch-Paare erzeugt Photonen, die mit dem Detektor der Streakkamera zeitlich erfasst werden können. Aus den so erhaltenen Emissionspektren können u.a. Informationen über die Materialzusammensetzung, die elektrische Struktur und Defekte ermittelt werden.
Im Messsystem wird ein Rasterelektronenmikroskop Quattro S der Firma FEI verwendet. Als Kathode wird eine Schottky-Feldemissionskathode zur Erzeugung des Elektronenstrahls verwendet, wodurch ein Auflösungsvermögen von unter 50 nm erreicht wird. Durch Ablenken des Elektronenstrahls werden Elektronenpulse innerhalb eines Zeitbereichs von ca. 100 ps erzeugt. Durch zukünftige Projekte soll dieser Bereich auf unter 10 ps gesenkt werden.

Das emittierte Licht wird durch das SPARC-System der Firma Delmic detektiert. Dabei können sowohl pan-, als auch monochromatische Spektren in einem Wellenlängenbereich von 200 nm (mittlerer UV-Bereich) bis 1000 nm (Infrarotbereich) aufgenommen werden.

Zeitlich aufgelöste Signale werden mit der Streakkamera StreakScope S-20 von Hamamatsu detektiert. Einfallende Photonen treffen hierbei auf eine Photokathode und lösen dort Elektronen heraus. Diese Elektronen werden in einem zeitabhängigen elektrischen Feld abgelenkt und treffen anschließend auf einen Detektor.
Das Messsystem ist mit einem Kryostaten ausgestattet, um die Probentemperatur auf bis zu 4 K herabsetzen zu können.

Ansprechpartner:
Jörgen Jungclaus, M.Sc.
joergen.jungclaus(at)tu-braunschweig.de

Tel.: +49 (0) 531 391-65443 (Büro)

Tel.: +49 (0) 531 391-65345 (Labor)

Mit harten und weichen Projektilen
Interview mit einem Großgerät: Das XPS

Time-of-Flight Massenspektrometer mit Plasma-Sputtern für die Tiefenprofilanalyse (PP-TOFMS) von Horiba

Das Gerät ist ein universelles Tiefenprofilwerkzeug und ermöglicht präzise TOF-Massenspektrometrie-Messungen mit hohem Durchsatz an Dünnschichtstrukturen. Dazu gehört die präzise Bestimmung der Materialienzusammensetzung mit einer hohen Tiefenauflösung im nm-Bereich. Die Tiefenprofilierung wird erreicht, indem durch Plasmaätzen an der Oberfläche der Probe ein Krater gebildet wird und dann senkrecht Schicht für Schicht geätzt und die gebildeten Ionen mittels TOFMS analysiert werden. Die dafür erforderliche hohe Sputterrate wird durch die hohe Ionendichte des Glimmentladungsplasmas realisiert. Das Gerät gewährleistet TOF-Massenspektrometrie-Messungen an anorganischen Materialien.

Anwendungsbeispiele sind die Analyse von Dotierungen in Halbleitern (Einbauverhalten der Dotierstoffe, Diffusion), die Detektion und Identifizierung von Oberflächenkontaminationen. Das Gerät hat eine hohe Verfügbarkeit, da es eines der zentralen Großgeräte im neuen Forschungszentrum LENA ist, das von mehreren Gruppen aus der Physik, Elektrotechnik und Chemie parallel verwendet werden wird.

Weltweit wurden bis jetzt nur noch zwei ähnliche Geräte installiert.
https://arxiv.org/abs/1909.12779

Kontakt:

Apl. Prof. Dr. A. Bakin
Institut für Halbleitertechnik
Technische Universität Braunschweig
 
+49 (0)531/ 391-3779 (Büro)

+49 (0)531/ 391-65341 (PPTOF-Labor)
A.Bakin@tu-braunschweig.de

Mit dem hochauflösenden, doppel-korrigierten Transmissionselektronenmikroskop (JEOL Neoarm 200F) bilden wir die Strukturen und chemischen Zusammensetzungen von Nanostrukturen und dünnen Filmen mit atomarer räumlicher Auflösung ab. Das Gerät erlaubt dabei sowohl konventionellen Transmissionselektronenmikroskopie mit paralleler Beleuchtung (TEM), als auch ein rastern über die Probe mit einem konvergenten Elektronenstrahl (STEM). Durch Korrektoren für die sphärische Aberration und des Astigmatismus der Elektronenoptik bis zur 6sten Ordnung sowohl für TEM als auch STEM ergeben sich sehr hohe räumlich Auflösungen unter 80 pm. Als Elektronenquelle nutzen wir eine kalte FEG. Geeignete Proben sind Nanopartikel oder dünne Filme. Letztere können mithilfe unserer FIB auch aus dem Volumen geschnitten werden. Das aberration-korrigiertes TEM ist mit einer Vielzahl unterschiedlicher Detektoren für die unterschiedlichsten Fragestellungen ausgerüstet. Hierzu zählen Brightfield, Anular Brightfield, und segmentierte high angle anular dark field Detektoren ebenso wie ein Detektor für rückgestreute Elektronen. Neben der ortsaugelösten Abbildung kann auch die lokale Beugung untersucht werden. Dreidimensionale Information ist zum Beispiel über tomographische Messungen möglich. Zusätzlich können über eine Messung des Energieverlustes bei der Transmission durch die Probe auch inelastische Prozesse mit einer Energieauflösung von unter 0,3 eV untersucht werden (EELS). Auch eine spektralaufgelöste Detektion der Röntgenstrahlung, die durch den Elektronenstrahl zwischen elektronischen Schalenübergängen angeregt wird, ist mit über einen Raumwinkel von 0,8 sr möglich (EDX). Sowohl EELS als auch EDX ist im STEM Modus ortsaufgelöst möglich. Beide Methoden erlauben unter anderem die chemische Analyse zum Beispiel von Durchmischung an Grenzflächen oder Core-Shell Nanopartikeln.

Wie lang ist ein Pikometer? – Der Blick aufs einzelne Atom

Kontakt

Institut für Angewandte Physik

Dr. Markus Etzkorn
mail: m.etzkorn(at)tu-bs.de
phone: +49 531 391 65386

Dr. Andreas Hangleiter
Email: a.hangleiter(at)tu-bs.de
Tel: +49 531 391 8501

https://www.tu-braunschweig.de/mib/lena/quanomet/elektronenmikroskopie-np4

Das MPMS-3 der Fa. Quantum Design ist ein SQUID-Magnetometer, das die hochempfindliche Messung des magnetischen Momentes fester und flüssiger Proben im Temperaturbereich von 1,8 K bis 400 K in Magnetfeldern bis zu 7 T gestattet. Das Gerät ist mit einem Closed-Cycle Kryostaten ausgestattet und erlaubt die Messung im dc-Extraktions- sowie im Vibrating Sample-Mode (VSM). Letzterer gestattet die Messung von magnetischen Momenten < 10^-11 Am² im Feldbereich unter 250 mT. Komplette Hystereseschleifen können – abhängig von der Größe des magnetischen Momentes – in weniger als 1 h aufgenommen werden. Zusätzlich ist das MPMS-3 mit der AC-Option ausgestattet, die die Messung der komplexen magnetischen Suszeptibilität im Frequenzbereich 0,1 Hz – 1 kHz bei AC-Feldamplituden bis zu 1 mT gestattet.

Das System erlaubt die Charakterisierung von verdünnten Proben magnetischer Nanopartikel (sowohl als Suspension, d.h. im flüssigen Zustand, als auch im gefriergetrockneten Zustand) als auch von verschiedensten Dünnschichtproben mit Schichtdicken bis hinunter zu 1 nm bei einer Schichtfläche von 5x5 mm² und einer Magnetisierung von µ₀M = 500 mT. Das Messsystem gestattet neben der Untersuchung von Proben mit kleinsten magnetischen Momenten auch die Untersuchung von Materialien mit großen Volumina und sehr großen magnetischen Momenten. Für Messungen sehr kleiner magnetischer Momente soll das MPMS-3 perspektivisch mit der Option, Messungen in sehr kleinen Hintergrundfeldern durchzuführen, erweitert werden.

Von magnetischen Momenten und Eisenoxid
Tamara Kahmann aus dem Graduiertenkolleg NanoMet im Kurzporträt

Eiskalt und voller Spulen
Interview mit einem Großgerät: Das MPMS

Ansprechpartner:
apl. Prof. Dr. Frank Ludwig
f.ludwig(at)tu-braunschweig.de
+49 (0) 531 391-3863/-65413/-65425

Zu Mit dem inversen STED (Stimulated Emission Depletion) Mikroskop von Abberior Instruments können superaufgelöste Fluoreszenzbilder mit einer Auflösung von 30nm oder besser (je nach Probe) aufgenommen werden.

Die Abrege-Wellenlänge liegt fix bei 775nm (Hochleistungslaser mit >2700mW @ 40MHz), für die Anregung stehen Laserlinien bei 561nm und 640nm zur Verfügung. Geeignete Fluoreszenzfarbstoffe sind z.B. Atto647N, Abberior Star RED, Abberior STAR580 (für 2-color-imaging) sowie fluoreszierende Proteine wie mCherry. Eine Alternative für Lebendzellexperimente bieten Labeling-Methoden mit SNAP- oder Halo-Tags. 

Des Weiteren stehen eine Zweikanaldetektionseinheit, eine FLIM-Einheit, ein spektrales Detektionsmodul sowie verschiedene Verfahren zur Minimierung von Photobleichen und -toxizität zur Verfügung (RESCue, DyMN und MINFIELD).
Voraussichtliche Installation: August 2018 in LENA

Ansprechpartner:
Dr. Birka Lalkens, BRICS, Rebenring 56; b.lalkens@tu-bs.de.

Hauptkomponenten:

• Regenerativ verstärktes Ti:Saphir-Lasersystem (Coherent Astrella), Pulsdauer 35fs, Rep.-Rate 5kHz bzw. 80MHz, mit nichtlinearen Konvertern (Spektralbereich 200nm – 2,5µm)
• Streak-Kamera-Detektor (Hamamatsu C10910) mit Spektrometer, Zeitauflösung bis zu 1ps
• Kryostat (Oxford CF-V2), Temperaturbereich 3,5 – 500K

Dieser Messplatz für zeitaufgelöste optische Femtosekunden-Spektroskopie ermöglicht temperatur- und leistungsabhängige Messungen der optischen Eigenschaften und Ladungsträgerdynamiken in Nanostrukturen auf verschiedenen Zeitskalen (ps-ms) mit hoher Ortsauflösung.

Zur Anregung wird ein Ti:Saphir-Femtosekunden-Lasersystem mit nichtlinearen Konvertern für Wellenlängen zwischen 200nm und 2,5µm genutzt. Die Detektion der Photolumineszenz erfolgt per Streak-Kamera, der ein Spektrometer vorgeschaltet ist. Mit diesem System lässt sich der Spektralbereich zwischen 200 und 900nm mit einer Zeitauflösung von bis zu 1ps abdecken. Die Probenhalterung in einem Helium-Durchflusskryostaten erlaubt Messungen in Reflexions-, Transmissions- und Konfokalgeometrie bei Temperaturen zwischen 3,5K und 500K. Außerdem steht eine Verzögerungsstrecke für Pump-Probe-Messungen zur Verfügung.

Aufstellort im LENA:
Raum 037

Ansprechpartner:
Philipp Henning, M.Sc.
E-Mail: p.henning(at)tu-braunschweig.de
Tel.: +49 (0) 531 391-8502

Das Terahertz-Mikroskop nutzt einen supraleitenden Sensor, den so genannten Josephson-Cantilever, um hochfrequente Strahlung bis in den Terahertz-Bereich zu messen. Hierbei kann der Sensor durch ein hochauflösendes Positioniersystem sehr präzise in drei Dimensionen bewegt werden, um auch räumliche Strahlungsverteilungen zu messen. Es können sowohl aktive Hochfrequenz-Schaltungen, wie Radarchips oder schnelle Computerchips, untersucht werden, als auch passive Schaltungen, die mit Hilfe eines Hochfrequenz-Generators bis 40 GHz oder mit einem Ferninfrarot-Lasersystem bis 7,5 THz betrieben werden können.

Der Sensor wird durch einen Pulsrohr-Kleinkühler auf etwa 20 K gekühlt. Ein zweiter Pulsrohr-Kühler kann genutzt werden, um zu untersuchende Proben auf bis zu 4 K zu kühlen. Der Messraum besteht aus einer 55 x 50 x 50 cm³ großen, geschirmten Vakuumkammer. Neben vielen elektrischen Durchführungen, kann der Ferninfrarot-Laser über eine weitere Vakuumkammer, in der sich optischer Aufbauten befinden, quasioptisch in den Messraum gekoppelt werden. Der gesamte Aufbau befindet sich auf einem aktiv gedämpften optischen Tisch. Die umfangreiche Messelektronik ermöglicht in Kombination mit der speziell entwickelten Software viele unterschiedliche Messszenarien, die meist in Zusammenarbeiten mit anderen Gruppen stattfinden. Über Anfragen mit Ideen für gemeinsame Messungen freuen wir uns.

Magazinbeiträge:

• Supraleitende Sensoren für die schnellsten Computerchips der Welt
• Von Null auf Terahertz in drei Jahren | Marco Tollkühn aus dem Graduiertenkolleg NanoMet im Kurzporträt

Ansprechpartner:
Dr. Benedikt Hampel
b.hampel(at)tu-braunschweig.de
+49 (0) 531 391 – 3855 / – 65414

Im vorgestellten Aufbau sind ein Bruker Dimension Icon Rasterkraftmikroskop und ein konfokales inVia Raman-Mikroskop von Renishaw über einen flexiblen Arm miteinander gekoppelt.

Dieser Messaufbau ermöglicht korrelative mikroskopische Messungen. So können beispielsweise gleichzeitig die Topographie und chemische Zusammensetzung einer Probe ortsaufgelöst bestimmt werden.

Das Rasterkraftmikroskop besitzt eine Schnittstelle zur nutzerseitigen Aufrüstung einer 3D-Funktionalität, durch die auch topographische Messungen der Seitenprofile von dreidimensionalen Strukturen rückführbar aufgenommen werden können^1,2.  Diese Aufrüstung erfolgt aktuell in enger Zusammenarbeit mit der PTB.

Kontakt:
Alina Syring
Tel.: 0531 391 65444
a.syring@tu-braunschweig.de

[1] G. Dai et al., Measurements of CD and sidewall profile of EUV photomask structures using CD-AFM and tilting-AFM, 2014 Meas.Sci.Technol. 25 044002, DOI: 10.1088/0957-0233/25/4/044002

[2] G. Dai et al., New developments at Physikalisch Technische Bundesanstalt in three- dimensional atomic force microscopy with tapping and torsion atomic force microscopy mode and vector approach probing strategy, 2012 Journal of Micro/ Nanolithography, MEMS, and MOEMS. DOI:10.1117/1.JMM.11.1.011004

Das Crossbeam Focused Ion Beam (FIB) und Rasterelektronen- mikroskope (SEM) wird hauptsächlich zur Herstellung von Nanostrukturen mittels Ga-Ionen-sputtern genutzt. Dieser Prozess kann „in operando“ mit dem Elektronen Mikroskop kontrolliert werden. Dadurch bietet das Gerät vielfältige Möglichkeiten zur Nanostrukturierung von Proben. Eine wesentliche Aufgabe des Gerätes ist es TEM Lamellen in nahezu beliebiger Geometrie aus Proben zu schneiden und für TEM Messungen zu präparieren. Die Ga-Ionenstrahlenergien können von 500 eV- 30 keV eingestellt werden. Die Ionenenergie wird dabei über die Flugzeit korrigiert. Die Ortsauflösung des Ionenstrahls beträgt 4 nm mit 30 keV Ionen (2,5 nm im selective-edge-mode) und 500 nm bei 500 eV Ionenenergie. Das System verfügt über eine Reihe von Charakterisierungsmöglichkeiten mithilfe des Elektronenstrahls. Der Elektronenemitter ist eine Schottky-Feld-Effekt-Kathode. Die Primärstrahlenergie kann zwischen 20 eV und 30 keV eingestellt werden. Sekundär-Ionen und Elektronen Detektoren ermöglichen die Nutzung als Scanning Electron/Ion Mikroskop. Zusätzlich kann das Elektronenmikroskop in Transmission als STEM verwendet werden. Bright field/Dark Field und high angle annular dark field Detektoren stehen dabei zur Verfügung. The STEM Auflösung beträgt 0.6nm @2kV und 1 nm @ 500V. Der Elektronenstrahl kann auch zur Elektronenstrahllithographie verwendet werden.

Die Probenaufnahme erlaubt eine flexible Nutzung des Gerätes mit einem Hub von 150 mm in x und y Richtung (10 mm in z) und einer Rotation von bis zu 70°. Ein in-situ Plasma-cleaner ist in das System integriert.

Extrafeines Werkzeug mit Superlupe
Interview mit einem Großgerät: Das FIB

Kontakt

Institut für Angewandte Physik

Dr. Markus Etzkorn
mail: m.etzkorn(at)tu-bs.de
phone: +49 531 391 65386

Dr. Andreas Hangleiter
Email: a.hangleiter(at)tu-bs.de
Tel: +49 531 391 8501

https://www.tu-braunschweig.de/mib/lena/quanomet/elektronenmikroskopie-np4