Quantitative TEM an Nanostrukturen für Anwendungen im MIR

Die Anregungsenergien vieler organischer und inorganischer Moleküle sowie die thermische Strahlung von Objekten mit Raumtemperatur liegen im Frequenzbereich des mittleren Infrarots. Für viele existierende und zukünftige Technologien kann dieser Bereich genutzt werden um Giftstoffe, Medikamente, Krebsmarker oder Wärmebilder zu detektieren. Zur Zeit sind noch keine effizienten optoelektronischen Bauelemente für solche Anwendungen vorhanden, da geeignete Halbleiter mit den richtigen Eigenschaften fehlen. Eine Möglichkeit, dieses Problem zu beheben, ist die Strukturierung von Halbleitern im Nanometerbereich. Unter Ausnutzung von Quanteneffekten können so optische Eigenschaften eingestellt werden. Ein vielversprechendes neues Materialsystem sind in CdTe eingebettete PbTe Nanokristalle. Aber auch die optischen Eigenschaften des technologisch wichtigen Siliziums könne mit verspannten SiGe Nanostrukturen verändert werden. Für die volle Kontrolle über die Nanostrukturen muß man sie bis herunter zur atomaren Ebene verstehen und kontrollieren. Hauptziel dieses Projekts ist die Charakterisierung von Nanostrukturen mit Methoden des Transmissionselektronenmikroskops (TEM), einer der wichtigsten Techniken für Nanostruktur-untersuchungen. Die Untersuchungen während des Aufenthalts am Laboratorium für Elektronmikroskopie (LEM) am Karlsruher Institut für Technologie enthalten anspruchsvolle Aufgaben wie Elektronenenergieverlustspektroskopie und Elektronenholographie zur Charakterisierung von strukturellen, Legierungs- und elektrostatischen Eigenschaften von Halbleiterstrukturen. Das gewonne Wissen wird helfen, die Erfahrung auf dem Gebiet der TEM- Charakterisierung an der Johannes Kepler Universität Linz zu verbreitern. Die TEM Analytik wird bei der quantitativen chemischen Analyse von Nanokristallen, ein Projekt am LEM, erlernent. Die entwickelten Methoden werden dann auch für die Untersuchung der PbTe-Quantenpunkte verwendet. Die Erzeugung dieser symmetrischer Quantenpunkte aus epitaktisch abgeschiedenen PbTe-Schichten ist eine neuartige Methode zur Selbststrukturierung von Halbleiter. Die Quantenpunkte entwickeln sich während eines Temperschritts, welcher die Inselformation induziert. Mit quantitativen Methoden wird die Inselformation untersucht um mehr über die dynamischen Vorgänge zu lernen. Durch unterschiedlich terminierte Grenzflächen wird ein elektrostatisches Feld in diese Quantenstrukturen induziert, das die optischen Eigenschaften beeinflusst. Diese Potentiale werden mittels Elektronenholographie detektiert und charakterisiert. Daneben werden auch Silizium-Germanium Strukturen analysiert. Das Wachstum von SiGe-Inseln auf vorstrukturierten Substraten vermeidet einige Nachteile des Stranski-Krastanow Wachstums und produziert geordnete, nahezu gleichgroße Inseln. Mittels Analyse von hochaufgelösten Gitterebenen-abbildungen wird der Verspannungszustand solcher Punkte gemessen. Auch wird die Zusammen-setzung der Inseln analysiert und durch Finite-Elemente-Rechnungen mit der Verspannungsanalyse kombiniert. Ziel ist es, das Inselwachstum vollständig zu verstehen und kontrolliern, um so eine bessere Beherrschung der Eigenschaften von SiGe-Nanostrukturen zu erreichen.

Viele Stoffe, organische und inorganische Moleküle, können mit infrarotem Licht erkannt werden. Für viele existierende und zukünftige Technologien kann das genutzt werden um zum Beispiel Giftstoffe, Sprengstoffe, Medikamente oder Krebsmarker zu detektieren. Zurzeit sind aber noch keine effizienten und günstigen Bauelemente für diese Anwendungen vorhanden, da geeignete Halbleiter mit den richtigen optischen Eigenschaften fehlen. Die Strukturierung von Halbleitern im Nanometerbereich kann dieses Problem beheben. Während des Schrödinger Projektes Quantitative Transmissionselektronenmikroskopie an Nanostrukturen für Anwendungen im mittleren Infrarot wurden verschiedene vielversprechende Materialsysteme mit Methoden des Transmissionselektronenmikroskops untersucht um ein besseres Verständnis für diese Nanostrukturen zu gewinnen. Erfolge wurde bei den Untersuchungen von eingebetteten Bleitellurid (PbTe) Nanokristallen erzielt. Diese hoch-symmetrischen Strukturen entstehen während eines Heizschrittes aus einer in ein Trägermaterial eingebetteten PbTe-Schichten. Mit quantitativen Methoden wurde chemische Zusammensetzung der Strukturen ermittelt und ein neues Modell angewendet um einen möglichen Schichtaufbau der Kristalle zu erkennen. Daneben wurden auch Silizium-Germanium Strukturen analysiert. Mittels Analyse von hochaufgelösten Gitterebenenabbildungen wurde der Verspannungszustand von Ge-Inseln gemessen. Ein Hauptaugenmerk lag auch auf der Defektanalyse in SiGe - Systemen, die z.B. durch solche Verspannungen entstehen und die optischen Eigenschaften beeinflussen. Das gewonnen Wissen hilft Nanostrukturierung von Halbleiter besser zu verstehen und zu kontrollieren, um so die optischen Eigenschaften besser einstellen zu können.