Messung des elektrischen Kontaktwiderstands bei Nano-Materialien
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Messbeispiel: Phasenumwandlung Silizium
Silizium ist ein Material, bei dem während des Probings unter hohem Druck Phasenübergänge erfolgen, die mittlerweile gut erforscht sind [1]. Bei zunehmender/abnehmender Prüfspitzenkraft treten im Nano-Deformationsbereich unter der Prüfspitze einige Phasenübergänge auf. Bei der Belastung der Prüfspitze wird das Si-I (Diamant-kubische Kristallstruktur) bei einem Druck von ungefähr 11 bis 12 GPa in Si-II (metallisches β-Si) umgewandelt. Beim Entlasten der Prüfspitze und dem Nachlassen des Drucks erfolgen weitere Übergänge von Si-II- in Si-III/XII-Kristallstrukturen.
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In Bild 2a ist die aufgewendete Kraft über der Verformung (Eindringtiefe der Prüfspitze) dargestellt. Beim Eindringen in die Siliziumoberfläche zeigt das Kraft-Verformungs-Diagramm eine relativ kontinuierliche Kurve, während das Strom-Verformungs-Diagramm (Bild 2b) eine Diskontinuität bei einer Eindringtiefe der Prüfspitze von ungefähr 22 nm zeigt, was auf den Si-I-Si-II-Phasenübergang hindeutet. Bei einer allmählichen Entlastung lässt sich der Si-II- zu Si-III/XII-Übergang bei der Kraft-Eindringtiefe- und der Strom-Eindringtiefe-Messung ebenfalls deutlich erkennen. Diese Übergänge erfolgen plötzlich und werden als Pop-in- und Pop-out-Effekt bezeichnet.
Die Geschwindigkeit der Be-/Entlastung der Prüfspitze kann auch die elektrischen Eigenschaften des Materials beeinflussen. Zum Beispiel führt eine schnelle Entlastung der Prüfspitze zu einer Umwandlung des Siliziums in α-Si, das eine vollkommen andere elektrische Signatur zeigt. Derartige Messungen sind entscheidend in Anwendungen wie bei Silizium-basierenden MEMS- (Micro ElectroMechanical Systems) und NEMS-Bauteilen (Nano ElectroMechanicals Systems). In solchen Bauteilen kann eine kleine Kraft auf kleine Strukturen einen großen Druck und mikrostrukturelle Änderungen innerhalb des Materials verursachen, was die elektrischen und mechanischen Eigenschaften beeinflussen kann.
- Messung des elektrischen Kontaktwiderstands bei Nano-Materialien
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