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Microwave Microscopy for Advanced and Efficient Materials Analysis and Production

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Neue Plattform für Mikrowellenmikroskopie treibt Entwicklung hochwertiger Halbleitermaterialien voran

EU-finanzierte Forschende haben eine Plattform für Mikrowellenmikroskopie entwickeln, die Materialeigenschaften jeglicher Größe untersuchen kann: von schwer fassbaren Prozessen, die bei Halbleiterschnittflächen stattfinden, hin zu makroskaligem elektrischen und magnetischen Verhalten.

Industrielle Technologien

Die Nanotechnologie entwickelt sich rasant weiter und findet leise seinen Weg in mehr Produkte. Fortschritte in dem Bereich eröffnen viele neue Anwendungen außerhalb der Hauptanwendung der Technologie in Mikrochips, beispielsweise in der Medizin, bei Energie, Batterien, Brennstoffen und chemischen Sensoren. Die erfolgreiche Fertigung von Nanotechnologieprodukten erfordert ein besseres Verständnis des Verhaltens von Materie auf atomarer Ebene. „Die Qualität und Leistung der Fertigwaren hängt stark von den chemischen, elektrischen, elektronischen und optischen Materialeigenschaften im Nanobereich ab. Die exakte Leistungskontrolle könnte durch Veränderungen der Materialschnittstellen erreicht werten“, merkt Kamel Haddadi an, Koordinator des EU-finanzierten Projekts MMAMA. „Ein festes Verständnis der Schnittstelleneigenschaften ist essentiell, da sie die Eigenschaften von Halbleitern häufig verschleiern oder überlagern und so die Produktgestaltung erschweren.“

Schwer fassbare Eigenschaften werden erfasst

MMAMA entwickelte eine neue Bildgebungsplattform, die Instrumente und Modellierungswerkzeuge beinhaltet und eine genaue Analyse dieser Schnittstellen sowie die Modellierung ihrer Eigenschaften ermöglicht. „Unsere Plattform für Mikrowellenmikroskopie ermöglicht die fortschrittliche Analyse von Halbleitermaterialien, die in Solarzellen und Elektronikschaltungen verwendet werden“, fügt Haddadi hinzu. Rastermikrowellenmikroskopie bietet eine nicht-invasive Möglichkeit, die wichtigen Phänomene zu untersuchen, die auf der Skala eines Milliardstel Meters stattfinden. Grob gesagt kombiniert die Nahfeld-Mikrowellenmikroskopie die außergewöhnliche räumliche Auflösung der Atomkraftmikroskopie mit der ausgezeichneten elektrischen Messtechnik eines Vektornetzwerkanalysators. Die Spitze des Atomkraftmikroskops scannt die Probe in einer Entfernung von wenigen Nanometern von der Oberfläche und gibt ein Mikrowellensignal aus, das vom Material gestreut wird. Mikrowellen sind viel größer als die Nanomaterialoberflächen, die sie scannen. Doch wenn sie aus minimaler Entfernung ausgegeben werden, spiegeln Nahbereichmikrowellen ein überraschend detailliertes Bild der Probe. „MMAMA hat gezeigt, dass die moderne Technologie der Rastermikrowellenmikroskopie weiter verbessert werden kann hinsichtlich Empfindlichkeit sowie räumlicher und zeitlicher Auflösung, um so unterschiedliche Arten der Mikrowellensonden zu unterstützen, wie Schwinggabelsonden“, merkt Haddadi an. „Unsere Plattform integriert Rastermikrowellenmikroskopie-Werkzeuge, Freiraum-Radarbildgebung, Impedanzspektroskopie, einen dielektrischen Resonator und Simulationsmodelle.“ Der neu entwickelte dielektrische Resonator für 10 GHz wurde auf einem tragbaren Kanalscanner zur Charakterisierung von Materialeigenschaften, wie der Dielektrizitätskonstante, im makroskaligen Bereich aufgebaut. Die Überkreuzprüfung zwischen verschiedenen Instrumenten und Simulationsmodellen erwies sich als unerlässlich für zuverlässige Messergebnisse.

Technische Anwendungsmöglichkeiten

Im Bereich der Solarzellen der dritten Generation kann die Rastermikrowellenmikroskopie Ladungen einfangen, die sich Schicht für Schicht durch Schnittstellen bewegen und selektiv Elektroden einsammeln. „Rastermikrowellenmikroskopie-Messungen ermöglichen die Charakterisierung elektrischer Eigenschaften von nanostrukturierten organischen oder hybriden Halbleitern, die in Solarzellen der nächsten Generation verwendet werden. Sie helfen bei der Leistungsvorhersage in den frühen Phasen der Prototypentwicklung und beschleunigen somit die Markteinführung leistungsstarker Solarzellen. Durch die Übertragung der Einblicke der Mikroskopiemessungen könnte ein dielektrischer Resonator direkt in die Photovoltaik-Fertigungslinien integriert werden, um Dünnschichtablagerungsprozesse zu überwachen“, erklärt Haddadi. Die fortschrittliche skalenübergreifende Mikrowellenplattform hat auch Auswirkungen auf konventionelle Elektrochips, die auf p-n-Übergängen basieren, also Schnittstellen zwischen Halbleitern, die positive und negative Ladungen tragen. Durch die Integration von Instrumenten, Software, Kalibrierung und Modellierungsinstrumenten könnte die neue Mikrowellenplattform die schnellere Entwicklung neuer Halbleitermaterialien und Nanogeräte ermöglichen.

Schlüsselbegriffe

MMAMA, Mikrowellenmikroskopie, Halbleiter, Schnittstelle, Solarzelle, dielektrischer Resonator, Modellierung

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