In ultradünne Schichten schauen

In Schichten hinein schauen ohne sie aufzuschneiden – schwierig genug bei großen Objekten, ungleich schwerer bei Schichten, die nur einige Nanometer dick sind. Hagai Cohen und Israel Rubinstein vom Weizmann Institut haben dazu eine neue Methode entwickelt: Mit Fotoelektronen-Spektroskopie, einer häufig verwendeten Oberflächenuntersuchungsmethode, schauen die Forscher vornehmlich in nicht leitende Schichten auf leitenden Substraten. Eine Methode, die mikroelektronische Verfahren und auch das Verständnis chemischen und biologischer Systeme verbessern könnte.

Um einen Einblick in die dünnen Schichten zu erhalten, änderten die beiden Forscher ein bestehendes Messverfahren um. Sie nutzen die Röntgen-Fotoelektronen-Spektroskopie (XPS). Dieses Messverfahren beruht eigentlich darauf, dass es Proben Röntgenstrahlung aussetzt. Die Proben emittieren daraufhin Fotoelektronen. Deren Energie gibt Aufschluss darüber, aus welchem Atom sie stammen. Was dabei normalerweise ein Problem ist, nämlich die positive Ladung der Oberfläche wenn die negativ geladenen Elektronen weg sind, machen sich die Cohen und Rubinstein zu Nutze. Bisher haben Wissenschaftler versucht dieses Problem mit einer Elektronenpistole zu lösen. Diese „füllt“ die positive Ladung nach der Messung „auf“ Die beiden Wissenschaftler hingegen laden die Probe schon vor der Untersuchung negativ. Das macht kontrollierte, leicht nachweisbare Änderungen der Energie der emittierten Fotoelektronen möglich. Diese Änderungen geben genau an, aus welchem Atomtyp und welcher Tiefe die Elektronen stammen.

Ausprobiert haben die Forscher das Konzept an einer vorher entwickelten Schicht, die in verschiedenen Tiefen Markeratome hat. Diese Markeratome, von denen die Forscher im Vorhinein sehr genau wussten, wie tief sie im Material eingebettet sind, spürte die XPS-Messung bis auf einen Nanometer genau auf. Dazu schadet diese Art der Messung der Probe kaum und hat noch einen Vorteil: Sie liefert sehr genaue Angaben über die elektrischen Eigenschaften der Schicht.