Entwicklung Neuer Sensoren

Entwicklung Neuer Sensoren

Wir entwickeln immer wieder neue submikrometer große und extrem hoch auflösende Sensoren, um die Messung des Nahfeldwärmeübertrags und quantisierter Wärmeleitung zu verbessern. Das Messprinzip unserer Sensoren basiert bisher auf dem thermoelektrischen Effekt (Seebeckeffekt). 

Erwärmt man ein Metall auf einer Seite, bewegen sich Elektronen (im Mittel) durch Diffusionsprozesse vom warmen zum kalten Ende. Durch die angesammelten Elektronen entsteht ein Gegenfeld, dass diesen Thermodiffusionsstrom der Elektronen bei einer materialspezifischen Spannung (Seebeckkoeffizient) zum Erliegen bringt. Verbindet man also zwei verschiedene Metalle mit unterschiedlichen Seebeckkoeffizienten an einem Ende und hält die Temperatur der "losen" Enden konstant, kann man bei einer Temperaturänderung am verbundenen Ende die relative Spannungsdifferenz messen, die zwischen den Gegenfeldern besteht. Dies ist die von uns gemessene Thermospannung. Dieses Thermoelement wird durch eine besondere Herstellungstechnik in eine Rastertunnelmikroskopspitze eingebettet und erlaubt die simultane Messung von Wärmeübertrag (über die Thermospannung) und Probentopografie (über den Tunnelstrom). 

Weiterentwicklung PASA Spitzen

Eine Weiterentwicklung unserer bisherigen koaxialen Thermoelementspitzen sind die sogenannten PASA Spitzen. Hier wird auf das existierende Thermoelement (Platin-Gold) eine isolierende Siliziumdioxidschicht aufgedampft sowie eine weitere Goldschicht (der Name ergibt sich aus dieser Schichtstruktur). Der Tunnelstrom wird dann nur durch die äußere Goldschicht abfließen. Dadurch entkoppeln wir Tunnelstrom und Thermospannungsmessung. Ein weiterer Vorteil ist, dass diese Schichtstruktur wie bei einem Koaxialkabel das Thermoelement zusätzlich vor störenden Einflüssen schützt.

Weiterentwicklung Kugelsensoren

Die sogenannte Derjaguin-Näherung, manchmal auch Proximity-Force Approximation genannt, ist eine Näherung, die benutzt werden kann, um kugelförmige Spitzen analytisch zu beschreiben und den Wärmeübertrag zwischen einer Kugel und einer Fläche zu berechnen. Aus ihr ergibt sich, dass der Wärmeübertrag in solch einer Geometrie mit dem Quadrat des Kugelradius skaliert. Ein Sensor mit größerem Durchmesser hat also eine geringere räumliche Auflösung, kann aber wegen seiner größeren Wechselwirkungsfläche mit höherer Empfindlichkeit den Verlauf des Nahfeldwärmeübtrags zu größeren Abständen messen. Um gleichzeitig die Wärmeübertragsauflösung nicht zu verlieren, haben wir Mikrometer große Kugeln an unsere koaxialen submikrometer großen Sensoren geklebt, was deutlich einfacher klingt, als es ist. 

Weiterentwicklung Supraleitende Sensoren

Auch Sensoren basierend auf supraleitenden Materialen werden entwickelt, die eine weitere Steigerung der Auflösung bei tiefen Temperaturen versprechen. Hierbei wird anstelle einer Goldaußenschicht, die bei den Sensoren auch den Tunnelkontakt zur Verfügung stellt, ein supraleitender Film aufgebracht. Dieser kann dann im Tieftemperatur-STM dicht an den Übergang zwischen suporaleitendem und normalleitendem Zustand herangebracht werden, sodass man bei der kleinsten Temperaturänderung eine deutliche Widerstandsänderung des Sensors beobachten kann.

Spitzenforschung

Kunst aus dem Rasterelektronenmikroskop

(Stand: 20.04.2022)