Forscher nutzen Röntgenstrahlen eines Teilchenbeschleunigers um Atomabstände in Halbleitern zu messen
Wien/Linz - Ein internationales Forscher-Team mit Beteiligung von Linzer
Wissenschaftern hat ein neues Verfahren entwickelt, das 3D-Bilder gleichsam aus der Nanowelt liefert. Das innovative Mikroskop macht Strukturen von nur wenigen Milliardstel Meter sichtbar. Es lassen sich damit
Eigenschaften von Halbleitern ebenso studieren, wie hochauflösende
dreidimensionale Darstellungen von biologischen Proben liefern. Die Entwicklung
wurde kürzlich in der Fachzeitschrift "Nature Communications" vorgestellt.
Die Wissenschafter nutzen für ihr Verfahren sogenannte Synchrotron-Strahlung.
Diese entsteht in einem Teilchenbeschleuniger (Synchrotron), in dem geladene
Teilchen fast auf Lichtgeschwindigkeit gebracht werden. Magnetfelder halten die
Teilchen dabei auf einer kreisförmigen Bahn, beschleunigt werden sie von einem
elektrischen Feld. Das Wissenschafterteam, darunter Julian Stangl vom Institut
für Halbleiterphysik der Universität Linz, nutzt dazu einen
Teilchenbeschleuniger der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in
Grenoble, Frankreich, eine gemeinsame Forschungseinrichtung von 19 Staaten,
darunter Österreich.
Abfallprodukt mit hohem Potenzial
Doch Stangl und seine Kollegen interessieren sich gar nicht für die rasenden
Teilchen, in ihrem Synchrotron-Experiment sind das Elektronen. Sie benutzen bloß
die hochenergetische Röntgenstrahlung, die frei wird, wenn die Teilchen von den
Magneten auf die Kreisbahn gezwungen werden. "Für einen normalen
Teilchenbeschleuniger am CERN ist das ein unerwünschtes Abfallprodukt", so
Stangl. "Am Synchrotron der ESRF benutzen wir die
Strahlung für unsere Experimente."
So können die Wissenschafter einen Röntgenstrahl von sehr geringem
Durchmesser erzeugen, der die Probe abtastet. Der Röntgenstrahl wird von den
Atomen der Probe gebeugt und ein Detektor zeichnet das Beugungsmuster auf. Aus
einer Serie solcher Beugungsmuster berechnet ein Computer die dreidimensionale
Struktur der Probe. Die Auflösung des Bilds ist dabei feiner, als der
ursprüngliche Röntgenstrahl dick ist. Linse benötigt das Synchrotron-Mikroskop
keines, so die Forscher.
"Mit dem von uns entwickelten Analyseverfahren kann man direkt aus den
Messdaten die Struktur der Probe berechnen. Bei anderen Verfahren muss man
zuerst ein Modell entwerfen, und es so lange in einer Computer-Simulation
verbessern, bis es zu den Messdaten passt. Das ist furchtbar mühsam, und es
kommt dabei nichts heraus, das nicht in der Modellannahme steckt", so Julian
Stangl vom Institut für Halbleiterphysik der Universität Linz. Doch auch die
Messungen mussten die Forscher anpassen, damit sie die Daten mit dem neuen
Analyseverfahren überhaupt auswerten können, sagt Stangl.
Atomabstände in Halbleitern messen
Die Wissenschafter untersuchten mit dem neuen Verfahren die Struktur von
Halbleitern. "Was man bei Halbleitern wissen möchte, sind die Abstände zwischen
den Atomen. Sie beeinflussen beispielsweise, wie schnell sich elektrische
Ladungsträger im Halbleiter bewegen, und damit, wie schnell ein Bauteil schalten
kann. Mit Röntgenbeugung kann man die Atomabstände in den Halbleiterkristallen
sehr genau messen", so Stangl.
An einem Synchrotron kann man gleich mehrere Proben messen. Während man an
einem Messplatz Halbleiter untersucht, kann man auf einem anderen die Struktur
von biologischen Makromolekülen, zum Beispiel von Enzymen unseres Körpers,
bestimmen. (APA, red)
