«Empa Young Scientist Fellowship»: Nachwuchsforscher untersucht kleine Brüche mit grossen Folgen

Ein beachtlicher Teil unserer Elektronik basiert auf Dünnschichten. Nanometer-dünne Lagen von Halbleitern und anderen Materialien ermöglichen Sensoren, Bildschirme, Kondensatoren, Batterien, Transistoren und vieles mehr. Die Weiterentwicklung der Dünnschichttechnologien hat auch die zunehmende Miniaturisierung der Elektronik ermöglicht. So hat heute 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 übereinander gelagerte Schichten aus Silizium- und Hafniumoxid, die nur wenige Nanometer dick sind», erklärt Empa-Forscher Vivek Devulapalli. «Wenn eine solche Komponente ausfällt, lässt sich oft nur sehr schwer feststellen, ob eine mechanische Ursache dafür verantwortlich war. Wir wissen noch immer sehr wenig darüber, wie solche Dünnschichten brechen, sich ablösen oder verformen.» Devulapalli will die Nanochmechanik solcher Schichten genauer untersuchen. Für sein Forschungsprojekt hat er vor kurzem ein zweijähriges «Empa Young Scientist Fellowship» erhalten.

Devulapalli, ein 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 ist 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 Oxid-Dünnschichten eine bessere Plastizität aufweisen als monolithische – sprich einlagige – 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 Elektronik-Komponenten, 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 winzigen Komponenten ist komplex. Dafür setzt der Forscher fortschrittliche Mikroskopiemethoden ein, wie die sogenannte in-situ-Belastung sowie 4D-STEM, vierdimensionale Raster-Transmissionselektronenmikroskopie. «Wir wollen unsere Proben in Echtzeit beobachten, während wir sie belasten, und so die Entwicklung von Rissen und anderen mechanischen Versagen detailliert verstehen», erklärt Devulapalli.

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

Zur Pressemitteilung

Talentförderung an der Empa

Das «Empa Young Scientist Fellowship» ist ein Förderinstrument für aussergewöhnlich begabte Nachwuchs-Wissenschaftlerinnen und -Wissenschaftler. Fellows erhalten die finanziellen Mittel, während zwei Jahren ein eigenständiges Forschungsprojekt durchzuführen. Die Fellowships werden in einem Wettbewerbsverfahren vergeben, um die Projekte mit dem höchsten Potenzial auszuwählen.

Informationen

Dr. Vivek Devulapalli
Empa, Werkstoff- und Nanomechanik
Tel. +41 58 765 63 98
vivek.devulapalli@empa.ch