Einleitung

Fein fokussierte Ionenstrahlen (Focused Ion Beam FIB) sind ein sehr nützliches Werkzeug in der Mikro- und Nanotechnologie sowie in der Analytik. Charakteristische Eigenschaften sind der Nanometer-Strahldurchmesser, der Energiebereich zwischen einigen eV und 200 keV, eine hohe Stromdichte sowie eine große Vielfalt an verfügbaren Ionen. In kommerziellen FIB Systemen werden üblicherweise Ga Flüssigmetall-Ionenquellen (LMIS) und in einigen Fällen auch Flüssigmetall-Legierungs-Ionenquellen (LMAIS) eingesetzt. FIB-Anlagen gestatten es, Strukturen beliebiger Form bis in den Nanometerbereich hinein zu erzeugen.

Herstellung

Das Ionenfeinstrahllabor im Institut verfügt über Ausrüstungen und umfangreiche Erfahrungen zur Entwicklung und Herstellung von LMAIS vom Haarnadeltyp für unterschiedliche Quellenmaterialien wie beispielsweise:

Au₇₃Ge₂₇, Au₈₂Si₁₈, Ce₈₀C₂₀, Co₃₆Nd₆₄, Er₆₉Ni₃₁, Sn₇₄Pb₂₆, In₁₄Ga₈₆, Ga₃₈Bi₆₂, Ga₃₅Bi₆₀Li₅ sowie viele andere Quellen auf Anfrage ...

Test und Charakterisierung

Für den Test und zur Charakterisierung der Quellen werden folgende Parameter bestimmt:

• Strom-Spannungs-Charakteristik, Emissionsstabilität, Lebensdauer und Emitter-Temperaturverhalten, Langzeitstabilität.
• Massenspektren
• Winkelverteilung und Winkelintensität mittels eines rotierenden Faradayzylinders.
• Ionenenergieverteilung sowie Energieverschiebung jeder emittierten Komponente der Quelle durch einen Massenfilter und einen Gegenfeldanalysator.

Instrumentation

• TIBUSSII - Orsay Physics NanoSpace system ausgerüstet mit einem 5 nm SEM, einer 7 nm massen-separierten Flüssigmetall Legierungs FIB sowie einer 17 nm massen-separierten Plasma FIB
• 2x Orsay Physics CANION Z31Mplus massen-separierten Flüssigmetall-Legierungs FIB (semi-kommerziell)
• Carl Zeiss NVision 40 CrossBeam Ga-FIB für Standardanwendungen wie Ionenstrahllithografie und TEM-Lamellen-Zielpräparation
• Carl Zeiss ORION NanoFab & 2x Carl Zeiss ORION Plus Helium Ion Microscope He/Ne-FIB
• Hitachi Ion Milling System ArBlade 5000 zur Erstellung von Ionenpolierten Probenquerschnitten, 500µA of 10 keV Ar, Abtragraten > 1 mm / h
• Leica EM TXP Zielpräzisionsinstrument zur Probenvorbereitung zum Fräsen, Sägen, Schleifen und Polieren von Proben mit integriertem Stereomikroskop

Aktuelle Projekte

Enabling New Quantum Frontiers with Spin Acoustics in Silicon EQUSPACE (02/2025 – 01/2029), gefördert durch HORIZON-EIC-2024-PATHFINDEROPEN-01-01 (Project Number 101185817), press release.

Although silicon has been the defining material of classical information processing, it is currently not the main material advanced for quantum information processing. It would however be very compelling to leverage the existing multibillion euro silicon infrastructure. Silicon spin qubits have already been shown to have excellent single-qubit properties, combining long coherence times with high-fidelity readout and control. The reason silicon qubits are not yet seen as a mainstream platform for quantum computing is mainly due to the lack of convenient coupling and readout mechanisms that could be used to scale-up to practical level. This proposal addresses both deficiencies and aims to enable a longterm future for donor spin qubits in silicon in Europe, for both quantum processing and quantum sensing applications.

This project will provide a scalable solution for all the important aspects of a quantum platform: control and readout, spin-spin coupling, and routing quantum information on-chip. In parallel, we will advance the needed material science methods, concentrating especially on deterministic single-ion doping, isotopical purification and strain tuning of silicon.

The end product of the project will be a complete quantum information platform including qubits, interconnects and scalable control and readout electronics. The platform will be based on embedded atomic spins as qubits, phonons as interconnects and gate defined quantum dots with on-chip multiplexing and amplification as readout devices. The project will bring together the relevant parties in Europe into a collaboration that will form a new hub for donor spinbased silicon quantum computing. The created network will span focused ion beam based single-ion implantation and isotopic purification facilities, semi-commercial silicon foundries, start-up companies working on silicon quantum dots and research groups researching silicon spin quantum computing and quantum acoustics.

Entwicklung eines Emitter-Makers zur Herstellung von Flüssigmetall-Ionenquellen aus hochschmelzenden Komponenten EMIE (03/2024 – 02/2026), gefördert durch AiF/BMWK (32 46231 003)

In den Gebieten der Quantentechnologie und der magnetischen Nanostrukturen steigen die Nachfragen zur Nutzung weiterer hochschmelzender und an Luft reaktiver, chemischer Elemente in Focused-Ion-Beam (FIB)-Anlagen. Die Ionenstrahlen werden aus Legierungen in Flüssig-Metalllegierungs-Ionenquellen (LMAIS) erzeugt, deren Bestandteile Schmelzpunkte weit über 1000°C haben und teilweise sehr reaktiv an Luft reagieren. Damit ergab sich in der Folge ein unsicherer Betrieb der Quellen. Die Raith GmbH ist zur Nanostrukturierung ein weltweit aktives Unternehmen. Die Arbeitsgruppe Ioneninduzierte Nanostrukturen am HZDR befasst sich mit der Herstellung und Charakterisierung von neuartigen LMAIS sowie der Entwicklung neuartiger Spektrometer. Mit diesem Projekt soll eine Fertigungstechnologie entwickelt werden, die eine Vielzahl von an Luft reaktiven Elementen mit hohen Schmelztemperaturen ermöglicht. Die chemische Reinheit der Quellen sowie verschiedenste Herstellungs- und Betriebsparameter müssen für das Qualitätsmanagement überwacht und standardisiert werden. Projektziel ist die reproduzierbare, kontaminationsfreie Herstellung und Funktion einer neuen Palette von LMAIS.

Gallium Oxide Fabrication with Ion Beams GoFIB (05/2022 – 05/2025)

GoFIB (Reference Number: project9659), press release

Gallium oxide is a novel ultra-wide band gap material, and the rationale is that its thin film fabrication technology is immature. In particular, the metastability conditions are difficult to control during sequential deposition of different polymorphs with existing techniques. However, the polymorphism may turn into a significant advantage if one can gain control over the polymorph multilayer and nanostructure design. Our objective is to develop a method for the controllable solid state polymorph conversion of gallium oxide assisted by ion irradiation, capitalizing on encouraging preliminary data. This fabrication method may pave the way for several potential applications (e.g. in power electronics, optoelectronics, thermoelectricity, batteries) and we will test the corresponding functionalities during the project. Thus, we envisage multiple positive impacts and potential benefits across a wide range of stakeholders.

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