Prof. Dr. Gerhard Paulus, Doktorand Felix Wiesner und Dr. Silvio Fuchs (v. l.) in einem Laserlabor.

Geschärfter Blick ins Innere von Halbleitern

Wie kohärentes kurzwelliges UV-Licht Materialien zerstörungsfrei durchleuchtet
Prof. Dr. Gerhard Paulus, Doktorand Felix Wiesner und Dr. Silvio Fuchs (v. l.) in einem Laserlabor.
Foto: Jens Meyer (Universität Jena)

Mit extrem kurzwelligem UV-Licht lassen sich nanometerkleine Strukturen abbilden. Doch kohärentes Licht mit einer Wellenlänge von wenigen zehn Nanometern zu erzeugen, war bislang fast nur in Großforschungs­anlagen möglich. Ein Jenaer Forschungsteam nutzt nichtlinear optische Effekte, um solche Strahlung zu erzeugen – und das in einem gewöhnlichen Laserlabor. Damit lassen sich zerstörungsfrei und nanometerge­nau innere Strukturen in Materialien sowie ihre chemische Zusammensetzung bestimmen.


Text: Ute Schönfelder

Bilder liefern Erkenntnisse. Was wir mit unseren eigenen Augen beobachten können, lässt uns verstehen. Das Blick­feld stetig zu erweitern, auch in Dimen­sionen, die dem bloßen Auge zunächst verborgen sind, treibt die Wissenschaft voran: Immer leistungsfähigere Mikroskope ermöglichen heute Einblicke in Zellen und Gewebe von Lebewesen, in die Welt der Mikroorganismen ebenso wie in die unbelebte Natur. Doch auch die besten Mikroskope haben ihre Gren­zen. »Um Strukturen und Prozesse bis auf nanoskalige Ebene und darunter be­obachten zu können, brauchen wir neue Methoden und Technologien«, sagt Dr. Silvio Fuchs vom Institut für Optik und Quantenelektronik. Das gelte insbeson­dere für technologische Bereiche wie die Materialforschung oder die Datenverar­beitung. »Elektronische Bauteile, Com­puterchips oder Schaltkreise werden heute immer kleiner«, so Fuchs weiter. Gemeinsam mit Kolleginnen und Kolle­gen hat er jetzt eine Methode weiterent­wickelt, die es ermöglicht, solche winzi­gen, komplexen Strukturen abzubilden und zu untersuchen und dabei sogar zerstörungsfrei in diese »hineinsehen« zu können.

Im Fachmagazin »Optica« haben die Forschenden ihre Methode – die Kohä­renztomographie mit extrem-ultravi­olettem Licht (kurz XCT) – jüngst vor­gestellt und ihr Potenzial für Forschung und Anwendung aufgezeigt.

Licht dringt in die Probe ein und wird an inneren Strukturen reflektiert

Ausgangspunkt für das Bildgebungs­verfahren ist die sogenannte Optische Kohärenztomographie (OCT), wie sie seit einigen Jahren in der Augenmedi­zin etabliert ist, erläutert Doktorand Felix Wiesner, der Erstautor der Studie. »Diese Geräte sind entwickelt worden, um die Netzhaut im Auge nichtinvasiv Schicht für Schicht untersuchen zu kön­nen und so 3-dimensionale Abbildun­gen zu erstellen.« Bei einem OCT beim Augenarzt wird die Netzhaut mit infrarotem Licht beleuchtet. Die Strahlung ist dabei so gewählt, dass sie vom zu untersuchenden Gewebe nicht zu stark absorbiert und an den inneren Struktu­ren reflektiert werden kann. Die Jenaer Physiker nutzen für ihr OCT statt lang­welligem Infrarot- aber extrem kurzwel­liges UV-Licht. »Das liegt an der Größe der Strukturen, die wir abbilden wol­len«, sagt Felix Wiesner. Um in Halblei­termaterialien mit Strukturgrößen von wenigen Nanometern hineinschauen zu können, braucht es Licht mit einer Wellenlänge von ebenfalls nur wenigen Nanometern.

Nichtlinear optischer Effekt erzeugt kohärentes XUV-Licht

Solch extrem kurzwelliges UV-Licht (XUV) zu erzeugen, war bislang eine Herausforderung und fast ausschließ­lich in Großforschungsanlagen möglich. Die Jenaer Physiker erzeugen breitban­diges XUV aber in einem gewöhnlichen Labor und nutzen dafür sogenannte Hohe Harmonische (siehe Kasten oben). Dabei handelt es sich um Strahlung, die durch Wechselwirkung von Laserlicht mit einem Medium entsteht und ein Vielfaches der Frequenz des ursprüng­lichen Lichtes aufweist. Je höher die Harmonischenordnung – umso kürzer die resultierende Wellenlänge. »Wir er­zeugen so mit infraroten Lasern Licht mit einer Wellenlänge zwischen 10 bis 80 Nanometern«, erklärt Prof. Dr. Ger­hard Paulus. »Wie das eingestrahlte Laserlicht ist auch das resultierende breitbandige XUV-Licht kohärent, hat also laserartige Eigenschaften«, macht der Professor für Nichtlineare Optik der Universität Jena deutlich.

In der veröffentlichten Arbeit haben die Physiker nanoskopische Schichtstruk­turen in Silizium mit der kohärenten XUV-Strahlung beleuchtet und das re­flektierte Licht analysiert. Die Silizium­proben enthielten in unterschiedlicher Tiefe dünne Schichten anderer Metalle wie Titan oder Silber. Da diese Materi­alien andere Reflexionseigenschaften aufweisen als das Silizium, lassen sich diese in der reflektierten Strahlung nachweisen. Die Methode ist dabei so empfindlich, dass damit nicht nur nano­metergenau die Tiefenstruktur der win­zigen Proben abgebildet werden kann, sondern – über das unterschiedliche Re­flexionsverhalten – auch die chemische Zusammensetzung der Proben exakt und vor allem zerstörungsfrei bestimmt werden kann. »Das macht eine Anwen­dung der Kohärenz-Tomographie zur Inspektion von Halbleitern, Solarzellen oder mehrschichtigen optischen Bauele­menten interessant«, unterstreicht Pau­lus. Sie ließe sich zur Qualitätskontrolle im Herstellungsprozess solcher Nano­materialien einsetzen, um interne De­fekte oder chemische Verunreinigungen aufzuspüren.

Hohe Harmonische

Die Bezeichnung Harmonische steht in der Physik für eine Schwingung, deren Frequenz ein ganzzahliges Vielfaches einer Grundfrequenz ist. Harmonische kommen in der Musik als Ober­töne vor. Aber auch Licht und andere elektromagnetische Wellen können Harmonische ausbil­den. Von Hohen Harmonischen spricht man in der nichtlinearen Optik bei Lichtwellen ab der ca. 10-fachen Frequenz der ursprünglichen Laserfrequenz. 

Um Hohe Harmonische zu erzeugen, bedarf es extrem intensiven Laserlichts: Laserpulse mit Intensitäten von 1014 W/cm2 (Hundert Billionen Watt pro Quadratzentimeter) werden auf Materie (verdünntes Gas) fokussiert. Die elektrische Feldstärke dieser Pulse ist dabei so groß, dass sie die Elektronen aus der Atomhülle herausreißen. Da sich in einer Lichtwelle die Richtung des elek­trischen Feldes jedoch eine Billion Mal pro Sekunde umkehrt, werden die Elektronen genau so oft auch wieder zum Ursprungsatom zurückbeschleunigt. Dort geben sie ihre Bewegungsenergie in Form von harmonischen Lichtwellen ab.

 

 

Information

Original-Publikation:

Material-specific imaging of nanolayers using extreme ultraviolet coherence tomography, Optica (2021), DOI: 10.1364/ OPTICA.412036

Kontakt:

Silvio Fuchs, Dr.
auch HI Jena - Mitarbeiter
Raum 106
Helmholtzweg 4
07743 Jena
Gerhard G. Paulus, Univ.-Prof. Dr.
Raum 306
Max-Wien-Platz 1
07743 Jena
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