18.06.2015 - Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik (IPM)

Terahertz goes Nano: Hochauflösende Terahertz-Nahfeld-Mikroskopie

Terahertz-Wellen stoßen aufgrund ihrer großen Wellenlänge an Grenzen, wenn es um die Erkennung kleinster Strukturen geht. Die Kopplung von Terahertz-Wellen mit einem Nahfeld-Mikroskop ermöglicht es, die laterale Auflösung bis in den Nanometerbereich zu erhöhen. Im Auftrag des Nahfeld-Mikroskop-Herstellers Neaspec GmbH hat Fraunhofer IPM ein Terahertz-System entwickelt, welches in Kombination mit deren Nahfeldmikroskop eine räumliche Auflösung im Bereich von 30 Nanometer erreicht. Die Neaspec GmbH stellte die Ergebnisse auf der »German THz Conference 2015« vom 8. bis 10. Juni in Dresden vor.

Terahertz-Wellen haben im Vergleich zum sichtbaren Licht eine recht große Wellenlänge (um die 300 Mikrometer). Das begrenzt leider die laterale Auflösung von Terahertz-Messungen im Fernfeld auf rund 150 Mikrometer. Für die Materialforschung reicht diese Messgenauigkeit oftmals nicht aus. Die Analyse kleinskaliger Materialverteilungen, beispielsweise in Halbleiterkomponenten, erfordert räumliche Auflösungen im Nanometermaßstab. Die Lösung ist die Terahertz-Messung im Nahfeld.

Terahertz-Nahfeld-Mikroskopie: Auflösungen bis unter 30 Nanometer

Durch die Kombination von Terahertz-Wellen mit einem Streulicht-Nahfeldmikroskop lässt sich die natürliche Auflösungsgrenze im Fernfeld überwinden. Dies eröffnet ganz neue Möglichkeiten für die Terahertz-Spektroskopie in der Materialforschung, zum Beispiel bei der Qualitätskontrolle industriell hergestellter Halbleiterkomponenten. Bei voller spektraler Auflösung im Terahertz-Bereich konnten mit dem von Fraunhofer IPM entwickelten System materialsensitive Aufnahmen gewonnen werden, die eine räumliche Auflösung besser als 30 nm zeigen. Dies ist weniger als ein Tausendstel der verwendeten Wellenlänge.

Im Vergleich zu Infrarot-Messungen ermöglicht der Einsatz von Terahertz-Wellen eine um das Hundertfache gesteigerte Sensitivität, beispielsweise, wenn es um die Messung der Leitfähigkeit von Halbleitermaterialien geht. Eine solch hohe Sensitivität ist mit anderen Technologien der optischen Mikroskopie kaum zu erzielen. Bis heute gibt es kein Messverfahren, das eine qualitative Erfassung von Material- und Ladungsträgerkonzentrationen in nanometergenauer Auflösung erlaubt. Die Möglichkeit, Ladungsträger zu erkennen und zu quantifizieren, eröffnet ein großes Anwendungspotenzial für die Terahertz-Nahfeld-Mikroskopie.

In der physikalischen Grundlagenforschung wird die kontaktlose, nicht-invasive und quantitative Erfassung mobiler Ladungsträger mit nanometergenauer Auflösung wichtige Einblicke in offene Fragenstellungen geben, zum Beispiel auf dem Gebiet der Supraleiter, der »low-dimensional conductors« oder der »correlated conductors«.

In der Analytik könnte sich die »Terahertz-Nanoscopy« zu einem interessanten Werkzeug für chemische und strukturelle Analysen von Verbindungen und biologischen Systemen entwickeln, da sich Terahertz-Wellen sehr sensitiv gegenüber Vibrationen von Kristallstrukturen und Molekülen erweisen. Hier zeigt die Terahertz-Spektroskopie im Vergleich zur Raman- und IR-Spektroskopie eine besonders hohe Sensitivität hinsichtlich Strukturänderungen auf. So ist es unter anderem möglich, verschiedene Hydratzustände und Isomere zu unterscheiden.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
  • Fraunhofer
Mehr über Fraunhofer-Institut IPM
  • News

    Neues Messsystem für Erdgas – schnell und genau

    Die Qualität von Erdgas unterliegt starken Schwankungen. Nicht nur unterschiedliche Erdgasvorkommen sind dafür verantwortlich, sondern zunehmend auch die Einspeisung von Wasserstoff aus Power-to-Gas-Anlagen. Zur Brenngasanalyse hat Fraunhofer IPM zusammen mit der RMA Mess- und Regeltechnik ... mehr

    Gassensoren warnen vor Schwelbränden

    Rauchmelder sind allgegenwärtig. Dennoch geht die Zahl der Brandopfer jährlich in die Tausende. Brandgasmelder, die auf Kohlenstoffmonoxid und Stickoxide reagieren, entdecken Brände im Frühstadium. Durch ein neues Messprinzip von Fraunhofer-Forschern werden die teuren Sensoren nun kostengün ... mehr

    Inline-Inspektion – fast so schnell wie Usain Bolt

    Ein neues optisches Inspektionssystem überprüft Werkstücke bei 10 Metern pro Sekunde und findet in Echtzeit Defekte, die so dünn sind, wie ein Haar. Der Drahtrohling schießt aus dem Ziehstein, der ihn in die gewünschte Form bringt. Bis zu 10 Meter pro Sekunde ist das Werkstück schnell – und ... mehr

  • Forschungsinstitute

    Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik (IPM)

    Das Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM betreibt Forschung und Entwicklung im Bereich der optischen Sensor- und Belichtungssysteme sowie der Dünnschichttechnologie. Für industrielle Anwendungen fertigen wir Komponenten und Bauteile ebenso wie Prototypen und einsatzbereite ... mehr

Mehr über Fraunhofer-Gesellschaft
  • News

    Mikrokapseln ermöglichen selbstschmierende Kunststoffe

    23 Prozent des weltweiten Energieverbrauchs können auf Reibungsverluste zurückgeführt werden. Bauteile mit reduzierter Reibung stellen daher einen wichtigen Beitrag dar, um Ressourcen zu schonen und Klimaschutzziele zu erreichen. Bei Kunststoffen kann geringere Reibung auch Mikroplastik in ... mehr

    Pflanzliche Proteine ersetzen erdölbasierte Rohstoffe

    Proteine gehören wie Cellulose, Lignin und Fette zu den nachwachsenden Rohstoffen. Ihr Potenzial für die chemische Industrie wird bisher kaum genutzt. Dies wollen Forscherteams des Fraunhofer-Instituts für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV gemeinsam mit Partnern ändern und die vielverspr ... mehr

    Ab wann werden Graphen-basierte Massenprodukte auf dem Markt verfügbar sein?

    Wie steht es um die angekündigten Anwendungen aus Graphen und verwandten Materialien? Dank Initiativen wie dem Graphene Flagship der Europäischen Union und hohen Investitionen aus der Industrie ist die Zeit nun allmählich reif, um Graphen-basierte Prototypen und Nischenanwendungen herzustel ... mehr

  • Videos

    Effektive Abwasserreinigung durch Nanofiltration

    Wasser ist lebenswichtig – Abwässer müssen daher möglichst effizient gereinigt werden. Möglich machen das keramische Membranen, mit denen erstmalig 200 Dalton kleine Moleküle abtrennbar sind. Dieses Video zeigt, dass sich hiermit auch Industrie-Abwässer effizient reinigen lassen.Dr. rer. na ... mehr

    Flüssigkristalle als Schmierstoffe

    Schmierstoffe sind fast überall im Einsatz – in Motoren, Produktionsmaschinen, Getrieben, Ventilen. Obwohl sie in nahezu allen Maschinen für einen ruhigen Lauf sorgen, gab es auf diesem Gebiet in den vergangenen beiden Jahrzehnten keine grundlegenden Innovationen. Das Fraunhofer-Institut fü ... mehr

    Briefkontrolle mit Terahertz-Wellen

    Bislang ist es recht aufwändig, Briefe sicher und zuverlässig auf gefährliche Inhaltsstoffe wie Sprengstoffe oder Drogen hin zu untersuchen. Abhilfe könnte ein neuer Terahertz-Scanner schaffen. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Physikalische Messtechnik IPM in Kaiserslautern und der Hüb ... mehr

  • Forschungsinstitute

    Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.

    Die Fraunhofer-Gesellschaft ist die führende Organisation für angewandte Forschung in Europa. Unter ihrem Dach arbeiten 59 Institute an über 40 Standorten in ganz Deutschland. Rund 17 000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter erzielen das jährliche Forschungsvolumen von 1,5 Mrd Euro. Davon erwir ... mehr