Nachwuchsforscher untersucht kleine Brüche mit großen Folgen

Dünnschichten aus Metalloxiden sind die Schlüsseltechnologie hinter dem Großteil unserer Elektronik. Über die mechanischen Eigenschaften dieser nanometer-feinen Technologiewunder ist jedoch erstaunlich wenig bekannt. Empa-Forscher Vivek Devulapalli will diese Wissenslücke schließen. Für sein Forschungsvorhaben hat er nun ein zweijähriges Empa Young Scientist Fellowship erhalten.

Ein beachtlicher Teil unserer Elektronik basiert auf Dünnschichten. Schichten von Halbleitern und anderen Materialien mit wenigen Nanometern Dicke ermöglichen Sensoren, Bildschirme, Kondensatoren, Batterien, Transistoren und vieles mehr. Die Weiterentwicklung der Dünnschichttechnologien hat auch die zunehmende Miniaturisierung der Elektronik ermöglicht. So hat heute nahezu jede und jeder ein Gerät in der Hosentasche, das die raumfüllenden Supercomputer der 1980er-Jahre um ein Vielfaches übertrumpft.

Die winzigen Komponenten bringen viele Vorteile, aber auch gewisse Herausforderungen. Beispielsweise enthalten Transistoren laut Empa-Forscher Vivek Devulapalli übereinander gelagerte Schichten aus Silizium- und Hafniumoxid, die nur wenige Nanometer dick sind. Wenn eine solches Komponente ausfällt, lässt sich oft nur sehr schwer feststellen, ob eine mechanische Ursache dafür verantwortlich war. Es ist immer noch sehr wenig darüber bekannt, wie solche Dünnschichten brechen, sich ablösen oder verformen. Devulapalli will die Nanomechanik solcher Schichten genauer untersuchen. Für sein Forschungsprojekt hat er vor kurzem ein zweijähriges Empa Young Scientist Fellowship erhalten.

Das Empa Young Scientist Fellowship ist ein Förderinstrument für außergewöhnlich begabte Nachwuchswissenschaftler. Fellows erhalten die finanziellen Mittel, um während zwei Jahren ein eigenständiges Forschungsprojekt durchzuführen. Die Fellowships werden in einem Wettbewerbsverfahren vergeben, um Projekte mit dem höchsten Potenzial auszuwählen.

Devulapalli, Postdoktorand im Empa-Labor für Werkstoff- und Nanomechanik in Thun, wird sich in seinem Projekt mit mehrlagigen Dünnschichten aus Metalloxiden beschäftigen. Diese große Materialfamilie umfasst Materialien mit den unterschiedlichsten optischen und elektronischen Eigenschaften. Metalloxide werden in der Dünnschichttechnik sehr häufig für ihre Funktionalität eingesetzt, so Devulapalli. Über ihre Mechanik auf atomarer Ebene sei aber noch wenig bekannt.

Kleinste Verformungen in Echtzeit nachverfolgen

Die Metalloxide, an denen Devulapalli forscht, sind amorph; das heißt, sie bilden keine geregelten Kristallgitter. In einem vorangehenden Forschungsprojekt stellte Devulapalli fest, dass bestimmte Arten von mehrlagigen Dünnschichten aus Oxiden eine bessere Plastizität aufweisen als monolithische Schichten aus denselben Oxiden. Das erlaubt den mehrlagigen Schichten, sich zu verformen, ohne gleich katastrophale Risse zu entwickeln – eine gute Nachricht für die hochkomplexen, miniaturisierten Elektronikkomponenten, die aus solchen Schichten bestehen.

In seinem neuen Forschungsprojekt, das den Namen MOSAIC trägt, will Devulapalli die Nanomechanik von mehrschichtigen Dünnschichtsystemen aus unterschiedlichen Metalloxiden weiter untersuchen. Die mechanische Charakterisierung von derart kleinen Komponenten ist komplex. Dafür setzt der Forscher fortschrittliche Mikroskopiemethoden ein, wie die sogenannte in-situ-Belastung sowie 4D-STEM, vierdimensionale Rastertransmissionselektronenmikroskopie. Wie Devulapalli erläutert, werden die Proben in Echtzeit beobachtet, während sie belastet werden, um so die Entwicklung von Rissen und anderen mechanischen Versagen detailliert zu verstehen.

Für seine Experimente nutzt Devulapalli zunächst einmal Modellsysteme aus bekannten Oxidmaterialien, etwa Silizium- und Aluminiumoxid. Sein Ziel ist es, zu verstehen, wie unterschiedliche Parameter – etwa Zusammensetzung, Dichte und Schichtdicke – die mechanischen Eigenschaften des Mehrschichtsystems beeinflussen. Wenn wir die Grundlagen verstehen, wissen wir auch, wie wir solche Systeme in Zukunft mechanisch robuster machen können. Anna Ettlin

www.empa.ch