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Mechanische Charakterisierung von Nanosäulen

Indentationsergebnisse an Nanoobjekten richtig korrigiert

PTBnews 3.2018
02.10.2018
Besonders interessant für

Entwickler von Nanokraftsensoren

Hersteller von Nanostrukturen zur Energieerzeugung und von LEDs

Nanoindentation, Materialprüfgeräte

Säulenartige Nanoobjekte können jetzt mithilfe der Indentationstechnik mechanisch charakterisiert werden. Möglich wird das durch eine in der PTB entwickelte neuartige Auswertemethode und ein Korrekturverfahren für die Kompressibilität der Säulen.

Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme einer typischen GaN-Säule nach Nanoindentationsmesung mit Berkovich-Indenterspitze

Mikro- und Nanosäulen aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien werden gegenwärtig intensiv hinsichtlich ihrer Eigenschaften zur Energiegewinnung (Energy harvesting), zur Energiespeicherung und zur Lichterzeugung (LED) untersucht. Bei der Energiegewinnung spielen die mechanischen Eigenschaften (Elastizität und Härte) der biegsamen Säulen eine wesentliche Rolle. Mittels Nanoindentationstechnik kann man auch bei Objekten im Mikro- und Nanometerbereich Aussagen über die mechanischen Eigenschaften gewinnen. Hierbei wird ein feiner Indenter, meistens aus Diamant, mit einer bestimmten Form (Berkovich, Vickers) in eine Oberfläche gedrückt. Dabei zeichnet man während der Belastung und Entlastung die erreichte Tiefe auf.

Bei der Nanoindentation von Mikrosäulen mit relativ großem Aspektverhältnis (Höhe/Durchmesser) wurde bei ersten Messungen in der PTB ein wesentlich kleineres Indentationsmodul als das des Ausgangsmaterials und eine ungewöhnliche Abhängigkeit des Moduls von der Eindringtiefe beobachtet. Erste Analysen deuteten darauf hin, dass diese nicht erwartete Abhängigkeit des Indentationsmoduls von der Eindringtiefe auf die bislang nicht berücksichtigte Körpersteifigkeit der Mikrosäulen zurückzuführen ist. Die Körpersteifigkeit hängt neben dem Radius der Säulen auch von der Säulenhöhe ab. Die geometrischen Parameter wurden mittels Rasterkraftmikroskopie bestimmt. Mit der Berücksichtigung der Körpersteifigkeit der Säulen ergab sich ein von der Eindringtiefe nahezu unabhängiges Indentationsmodul, das darüber hinaus sehr gut mit dem Modul des Ausgangsmaterials übereinstimmte.

An Mikrosäulen aus kristallinem Silizium und Galliumnitrid, die im Institut für Halbleitertechnik (IHT) der TU Braunschweig hergestellt wurden, konnte dieses in der PTB entwickelte Korrekturverfahren experimentell bestätigt werden. Der Durchmesser der Säulen wurde im IHT mittels Elektronenmikroskopie und die Höhe mittels konfokaler Laserscanmikroskopie in der PTB gemessen.

Das erweiterte Auswerteverfahren ermöglicht eine zuverlässige Bestimmung mechanischer Eigenschaften und unterstützt dadurch die weitere Entwicklung von innovativen säulenbasierten Mikround Nanostrukturen.

Ansprechpartner

Zhi Li
Fachbereich 5.1
Oberflächenmesstechnik
Telefon: (0531) 592-5190
Opens window for sending emailzhi.li(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung

Z. Li, S. Gao, F. Pohlenz, U. Brand, L. Koenders, E. Peiner: Determination of the mechanical properties of nano-pillars using the nanoindentation technique. Nanotechnol. Precis. Eng. 3, 182–188 (2014)