Helium Ion Microscopy

Heliumionenmikroskopie (HIM) ist eine neue Methode die einen fokussierten Ionenstrahl für hochauflösenden Mikroskopie und die Herstlellung von Nanostrukturen sowie deren Analyse verwendet.

Grundlagen

Im HIM werden die Edelgase Helium oder Neon an der Spitze einer atomarscharfen Worlframspitze ionisert. Die Spitze wird zu diesem Zweck auf nur drei Atome angespitzt. Diese Technik ermöglicht eine Quellengröße von nur 0.25 nm und eine Auflösung von 0.5 nm bei Verwendung von Helium. Während letzters primär für die Abbildung von Nanostrukturen Verwendung findet benutzt man Neon zur Herstellung von nanometer kleinen Strukturen mit einer Auflösung von 1.8 nm.

Instrumentation

• 0.5 nm He Strahl 10-35 keV
• 2 nm Ne Strahl 5-25 keV
• Gasinjektionssystem für die Ionenstrahlgestützte Abscheidung (W(Co)₆, HRD, XeF₂)
• In-situ Rückstreuspektrometrie (50nm Auflösung) und Sekundärionenmassenspektrometrie (8 nm Auflösung)
• 4 Kleindiek MM3A Mikromanipulatoren
• Probenheizer (<500°C)

Orion NanoFab	HIM Trimer
Foto: Carl Zeiss	Foto: Gregor Hlawacek
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Anwendungbeispiele

Laufende Projekte

GoFIB (05/2022-04/2025)

Galliumoxid ist ein neuartiges Material mit extrem breiter Bandlücke, und die Technologie zur Herstellung der Dünnschicht ist noch nicht ausgereift. Insbesondere sind die Metastabilitätsbedingungen bei der sequentiellen Abscheidung verschiedener Polymorphe mit den vorhandenen Techniken schwer zu kontrollieren was zum unkontrollierten Wachstum von unerwünschten Kristallphasen führen kann. Der Polymorphismus kann jedoch zu einem bedeutenden Vorteil werden, wenn man die Kontrolle über die polymorphe Multischicht und das Nanostrukturdesign gewinnen kann. Unser Ziel ist es, eine Methode für die kontrollierbare polymorphe Umwandlung von Galliumoxid im festen Zustand mit Hilfe von Ionenbestrahlung zu entwickeln, wobei wir uns auf ermutigende vorläufige Daten stützen. Diese Herstellungsmethode könnte den Weg für mehrere potenzielle Anwendungen z. B. in der Leistungselektronik, Optoelektronik, Thermoelektrik oder Batterien ebnen, und wir werden die entsprechenden Funktionalitäten während des Projekts testen. Wir rechnen daher mit zahlreichen positiven Auswirkungen und potenziellen Vorteilen für ein breites Spektrum von Interessengruppen.

FIT4NANO (04/2020-10/2024)

Ziel der COST Action ist es einer koordinierten Art und Weise europäische Forscher und Unternehmen aus dem Bereich der Ionenstrahlnanotechnologie an die Spitze dieses sich rasch wandelend Felds zu führen. Zu diesem Zweck wird die Action Entwickler und Anwender von fokusierten Ionenstrahlentechnologie (FIB) vereinen und damit die Entwicklung von effizienten Werkzeugen und Anwendung zur Erkennung, Herstellung und Charakterisierung von funktionellen Nanomaterialen ermöglichen. Die Action wird Ionenquellen und Geräte für die sub 10 nm Herstellung und Characterisierung entwicklen. Diese Ziele werden durch ein europaweites Netzwerk von experimentallen und theoretischen Arbeitsgruppen die normalerweise nicht zusammenarbeiten erreicht. Dabei ist es entscheidend dei zunehmende Trennung von Entwicklern und Anwendern von Ionenstrahltechnologie zu verhindern, da das sonst erstere Techniken an den Wünschen der Anwender, die keine Kenntnis von den umfasseneden Möglichkeiten haben, vorbei entwicklen.

npSCOPE (01/2017-12/2020)

Ziel des npSCOPE Projektes ist die Entwicklung eines neuartigen Mikroskopes das die gleichzeitige Herstellung von hochauflösenden Sekundärelektronenbildern, Massenspektroskopiedaten und Transmissionsionenbildern erlaubt. Im npSCOPE können diese Daten bei Bedarf auch bei -140°C erzeugt werden. Eine solche Methode erlaubt die effektive und vollständige Charakterisierung von Nanoteilchen in ihrer biologisch relevanten Umgebung. Die so erzeugten Daten sind für das abschätzen von bestehenden und zukünftigen Gesundheitsrisiken von Nanopartikeln von großer Bedeutung.

picoFIB (05/2017-04/2020)

The PicoFIB Network brings together international researchers with an interest in material manipulation and characterisation using novel gas-ion patterning and microscopy. It provides a foundation for knowledge exchange, technical training and research development. Outputs find application across the fields of nano-devices, energy technology and bio-materials. It comprises a series of exchange visits, training events and international workshops.

Das picoFIB Netzwerk verbindet international Wissenschaftler aus dem Bereich der Ionengestüzten Charakterisierung und Herstellung von Nanostrukturen. Hier wird besonders auf die Anwendung von neuen Nobelgasionen basierten Methoden fokussiert. Das Netzwerk organisiert workshops, wissenschaftlichen Austausch und Zugang zu modernen nobelgasbasierten Methoden sowie internationale Konferenzen.

IONS4SET (02/2016-07/2020)

In diesem Projekt geht es um die CMOS kompatible Herstellung eines Einzelelektronentransistors der bei Raumtemperature funktioniert. Dieses Ziel wird durch die Kombination aus modernen Nanostruktureherstellungsverfahren und Ionenstrahltechniken erreicht. Das HIM spielt dabei ein entscheidende Rolle in der Untersuchung der zu Grundeliegenden Vorgänge beim ionenmischen.

Analytische Ionenmikroskopo (finished)

In diesem Projekt wurde ein flugzeitbasiertes Rückstreuspektrometer für das HIM entwickelt. Die erreichte laterale Aufläsung liegt bei 50 nm. Dieses Projekt war die Basis für das später Entwickelte Flugzeitsekundärionenmassenspektrometer.

Aktuelle Veröffentlichungen

weitere Veröffentlichungen

2026

2025

2024