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Untersuchung von leitfähigen Schichtsystemen mittels Rasterkraftmikroskopie

Kleine Bußmann, Benedict LSF

Zerstörungsfreie Untersuchungsmethoden spielen daher heute sowohl in der Forschung als auch in der Industrie eine wichtige Rolle. Die Wirbelstrommikroskopie gehört zu einer der gut etablierten zerstörungsfreien Untersuchungsmethoden, die vor allem in der Metallverarbeitenden Industrie ein wichtiger Teil der Qualitätskontrolle ist. Das räumliche Auflösungsvermögen liegt dabei im µm-Bereich. In der Oberflächenphysik sind jedoch Strukturen im nanoskaligen Bereich von Interesse. Hierbei sind 2-dimensionale leitfähige Strukturen und deren elektronische Eigenschaften von immer größer werdender Bedeutung. Ein grundlegender Nachteil bei der Untersuchung von kleine Strukturen im Nanometerbereich ist hierbei das zur Erlangung von Kennlinien I(V) elektrischer Kontakt hergestellt werden muss. Dies kann jedoch die elektronischen Eigenschaften durch Fremddotierung durch das Kontaktmaterial erheblich beeinflussen. Daher wäre es wünschenswert man könnte eine Kontakt-freie Leitfähigkeitsmessung analog zu der Wirbelstromtechnik einsetzen. In dieser Arbeit wird geklärt, inwieweit dies durch Kombination eines zeitlich veränderlichen externen Magnetfelds und einem Rasterkraftmikroskop möglich ist. Das Rasterkraftmikroskop ermöglicht hierbei die gewünschte Auflösung im Nanometer-Bereich. Gleichzeitig kann durch Betrieb im Ultrahochvakuum (UHV) der Non-Contact-Modus eingesetzt werden und damit der Kontakt potentiell vermieden werden. Neben der Leitfähigkeit sind auch Dotierungseffekte für 2-dimensionale Kristallen von großer Bedeutung. Diese können durch Adsorbate, mechanische Deformierung oder durch die Wahl des Substrates bestimmt sein. Eine gut etablierte Methode um Oberflächenpotentiale und bei metallischen Oberflächen auch die Austrittsarbeit zu messen, ist die Kelvin-Probe-Mikroskopie. Diese kann auch Adsorbate oder andere Defekte die nur einige nm Durchmesser haben lokal auflösen, was bei anderen Methoden wie Winkelaufgelöster Photoelektronenspektroskopie (ARPES) nicht möglich ist, da das anregende Medium meist einige tausend µm² der Probe gleichzeitig erfasst und entsprechend darüber mittelt. In dieser Arbeit werden sowohl Kelvin-Probe Messungen an Graphen und Mo2 gezeigt und der Einfluss von Adsorbaten als auch mechanischem Stress untersucht. Weiterhin wird die Wirbelstrommikroskopie mittels Minispule sowohl an konventionellen Metallen wie Gold und Silber als auch an Graphen und leitfähigen Kohlenstofftracks durchgeführt und die Ergebnisse miteinander verglichen.

Non-destructive methods are playing a major role in research as well as in the industry. Among the well established methods is the eddy current microscopy which is mainly used in the metal working industry as an important part of the quality control. The spatial resolution of the method used though is in the µm range. In surface physics areas at the nanoscale range are of outmost interest. Especially 2-dimensional conductive structures and their electronic properties are of growing significance. A fundamental disadvantage of the conventional investigation of small structures at the nanoscale is that to obtain a characterisitic current-voltage curve I(V) the necessity of electrical contact is given. This contact though can lead to a significant influence on the electronic properties due to doping by the probing material. So it is desirable to use an non-destructive technique like the eddy current microscopy. One main focus in this thesis is to investigate the possibility to realize this technique by combining an atomic force microscope (AFM) with an external magnetic field. The AFM makes it possible to achieve the desired nanoscale resolution. At the same time contact between the sample and the probe can be avoided by conducting the experiment in UHV due to the non-contact mode applied. Besides the conductivity doping effects of 2-dimensional crystals are of outmost importance. The doping effect can be determined by adsorbants, mechanical stress or the choice of the substrates. A well established method to investigate the surface potentials and the work function of metallic surfaces is the Kelvin probe force microscopy (KPFM). KPFM makes it possible to resolve adsorbants and other defects with a diameter of only a few nm which is not possible with other methods like angular resolved photoelectron spectroscopy (ARPES) because the exciting medium there covers an area of several thousand µm² and averages over the area. In this thesis Kelvin probe measurements on graphene and MoS2 are shown and the influence of adsorbants and mechanical stress is investigated. Furthermore eddy current microscopy measurements in combination with a minicoil are conducted on conventional metals like silver and gold as well as on graphene and carbon tracks and the results are compared to each other.

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Kleine Bußmann, Benedict: Untersuchung von leitfähigen Schichtsystemen mittels Rasterkraftmikroskopie. 2015.

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