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

Hochauflösende Mikroskopie
 Herstellung von Nanostrukturen
  • Halbleiter
  • Materialwissenschaft
  • Polymere (unbeschichtet)
  • Biologische Proben (unbeschichtet)
  • Katalysatormaterialien
  • Sekundärionenmassenspektrometrie
  • TEM Lamellenherstellung
  • Herstellung von Nanoporen
  • Edelgas implantation
  • Plasmonische Strukturen
  • Ionenstrahlmischen

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

2025

Programmable activation of quantum emitters in high-purity silicon with focused carbon ion beams

M. Hollenbach, N. Klingner, P. Mazarov, W. Pilz, A. Nadzeyka, F. Mayer, N. V. Abrosimov, L. Bischoff, G. Hlawacek, M. Helm, G. Astakhov

Beteiligte Forschungsanlagen

Verknüpfte Publikationen

Permalink: https://www.hzdr.de/publications/Publ-39025

2024

Fabrication of palladium-enriched metallic structures by direct focused He+ and Ne+ beam nanowriting from organometallic thin films: a com- parison with Ga+ and e− beams

L. Herrer, A. Salvador-Porroche, G. Hlawacek, P. Cea, J. María De Teresa

Beteiligte Forschungsanlagen

Verknüpfte Publikationen

Permalink: https://www.hzdr.de/publications/Publ-39806

Focused electron beam induced deposition of magnetic tips for improved magnetic force microscopy

A. T. Escalante-Quiceno, V. V. Fernández, J. I. Martín, A. Hierro-Rodriguez, G. Hlawacek, M. Jaafar, A. Asenjo, C. Magén, J. M. de Teresa

Beteiligte Forschungsanlagen

Verknüpfte Publikationen

Downloads

Permalink: https://www.hzdr.de/publications/Publ-39804

Studies of the morphology of hematite synthesized from waste iron sulfate

K. Splinter, R. Möckel, G. Hlawacek, Z. Lendzion-Bielun

Permalink: https://www.hzdr.de/publications/Publ-39174

Tuning the Electronic Characteristics of Monolayer MoS2-Based Transistors by Ion Irradiation: The Role of the Substrate

Z. Fekri, P. Chava, G. Hlawacek, M. Ghorbani Asl, S. Kretschmer, W. Awan, V. Koladi Mootheri, N. Sycheva, A. George, A. Turchanin, K. Watanabe, T. Taniguchi, M. Helm, A. Krasheninnikov, A. Erbe

Beteiligte Forschungsanlagen

Verknüpfte Publikationen

Permalink: https://www.hzdr.de/publications/Publ-39152

Contribution of black carbon and desert dust to aerosol absorption in the atmosphere of the Eastern Arabian Peninsula

M. M. K. Mahfouz, G. Skok, J. Sciare, M. Pikridas, M. Rami Alfarra, S. Moosakutty, B. Alfoldy, M. Ivančič, M. Rigler, A. Gregorič, R. Podlipec, S. Lohmann, G. Hlawacek, R. Heller, E. Tutsak, G. Močnik

Beteiligte Forschungsanlagen

Verknüpfte Publikationen

Downloads

Permalink: https://www.hzdr.de/publications/Publ-38810

Ultralong-term high-density data storage with atomic defects in SiC

M. Hollenbach, C. Kasper, D. Erb, L. Bischoff, G. Hlawacek, H. Kraus, W. Kada, T. Ohshima, M. Helm, S. Facsko, V. Dyakonov, G. Astakhov

Beteiligte Forschungsanlagen

Verknüpfte Publikationen

Permalink: https://www.hzdr.de/publications/Publ-38750

Defects distribution and evolution in selected-area helium ion implanted 4H-SiC

Y. Song, Z. Xu, M. Rommel, G. Astakhov, G. Hlawacek, F. Fang

Beteiligte Forschungsanlagen

Verknüpfte Publikationen

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  • Zweitveröffentlichung erwartet

Permalink: https://www.hzdr.de/publications/Publ-37512

2023

Roadmap for focused ion beam technologies

K. Höflich, G. Hobler, F. I. Allen, T. Wirtz, G. Rius, A. Krasheninnikov, M. Schmidt, I. Utke, N. Klingner, M. Osenberg, L. McElwee-White, R. Córdoba, F. Djurabekova, I. Manke, P. Moll, M. Manoccio, J. M. de Teresa, L. Bischoff, J. Michler, O. de Castro, A. Delobbe, P. Dunne, O. V. Dobrovolskiy, N. Freese, A. Gölzhäuser, P. Mazarov, D. Koelle, W. Möller, F. Pérez-Murano, P. Philipp, F. Vollnhals, G. Hlawacek

Beteiligte Forschungsanlagen

Verknüpfte Publikationen

  • Open Access Logo Applied Physics Reviews 10(2023)4, 041311
    arXiv: 2305.19631
    Cited 24 times in Scopus
  • Poster
    Eu-F-N workshop, 07.-09.06.2023, Zürich, Schweiz
  • Poster
    FIT4NANO workshop, 17.-19.07.2023, Lisbon, Portugal
  • Poster
    AVS69, 05.-10.11.2023, Portland, USA
  • Open Access Logo Eingeladener Vortrag (Konferenzbeitrag) (Online Präsentation)
    FIB FIG User meeting, 17.04.2024, online, USA
  • Open Access Logo Vortrag (Konferenzbeitrag)
    67th International Conference on Electron, Ion and Photon Beam Technology and Nanofabrication, EIPBN 2024, 28.-31.05.2024, La Jolla, USA

Permalink: https://www.hzdr.de/publications/Publ-37049

Universal radiation tolerant semiconductor

A. Azarov, J. G. Fernández, J. Zhao, F. Djurabekova, H. He, R. He, Ø. Prytz, L. Vines, U. Bektas, P. Chekhonin, N. Klingner, G. Hlawacek, A. Kuznetsov

Beteiligte Forschungsanlagen

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Permalink: https://www.hzdr.de/publications/Publ-36900

Direct magnetic manipulation of a permalloy nanostructure by a focused cobalt ion beam

J. Pablo-Navarro, N. Klingner, G. Hlawacek, A. Kakay, L. Bischoff, R. Narkovic, P. Mazarov, R. Hübner, F. Meyer, W. Pilz, J. Lindner, K. Lenz

Beteiligte Forschungsanlagen

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  • Zweitveröffentlichung erwartet

Permalink: https://www.hzdr.de/publications/Publ-36822

Transport properties of Fe60Al40 during the B2 to A2 structural phase transition

S. Sorokin, M. S. Anwar, G. Hlawacek, R. Boucher, J. Salgado Cabaco, K. Potzger, J. Lindner, J. Faßbender, R. Bali

Beteiligte Forschungsanlagen

Verknüpfte Publikationen

Permalink: https://www.hzdr.de/publications/Publ-36384

Deterministic multi-level spin orbit torque switching using focused He+ ion beam irradiation

J. Kurian, A. Joseph, S. Cherifi-Hertel, C. Fowley, G. Hlawacek, P. Dunne, M. Romeo, G. Atcheson, J. M. D. Coey, B. Doudin

Beteiligte Forschungsanlagen

Verknüpfte Publikationen

Permalink: https://www.hzdr.de/publications/Publ-35950

Tailoring crosstalk between localized 1D spin-wave nanochannels using focused ion beams

V. Iurchuk, J. Pablo-Navarro, T. Hula, R. Narkovic, G. Hlawacek, L. Körber, A. Kakay, H. Schultheiß, J. Faßbender, K. Lenz, J. Lindner

Beteiligte Forschungsanlagen

Verknüpfte Publikationen

Permalink: https://www.hzdr.de/publications/Publ-35208

CMOS-compatible manufacturability of sub-15 nm Si/SiO2/Si nanopillars containing single Si nanodots for single electron transistor applications

J. Borany, H.-J. Engelmann, K.-H. Heinig, E. Amat, G. Hlawacek, F. Klüpfel, R. Hübner, W. Möller, M.-L. Pourteau, G. Rademaker, M. Rommel, L. Baier, P. Pichler, F. Perez-Murano, R. Tiron

Beteiligte Forschungsanlagen

Verknüpfte Publikationen

Permalink: https://www.hzdr.de/publications/Publ-34842