Zie Nieuws

Kijken in een 3D-nanostructuur zonder sporen achter te laten

Om te ontdekken wat er binnenin een driedimensionale (3D) nanostructuur zit, is het niet langer nodig om de structuur in dunne plakjes te zagen en dus onherstelbaar te beschadigen. Wetenschappers van de Universiteit Twente en de European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) hebben een nieuwe niet-destructieve methode ontdekt om diep in 3D nanostructuren te kijken. Deze ‘traceless X-ray tomography’ (TXT) biedt uitkomst voor bijvoorbeeld fotonica, elektronica-chips en geheugens. De resultaten zijn gepubliceerd in ‘ACS Nano’ van de American Chemical Society.

Het zijn complexe bouwwerken op de schaal van nanometers, de huidige structuren voor bijvoorbeeld het manipuleren van licht. Ook elektronicachips bestaan uit meerdere verdiepingen, met materiaallagen en verbindingen. Hoe weet de architect van zo’n nano-gebouw of het doet wat het moet doen? Door een microscoop zie je alleen de buitenkant, het oppervlak. Nog steeds kan dan het plaatje van een ‘good’, ‘bad’ of ‘ugly’ nanostructuur hetzelfde zijn. Dieper binnenin de structuur kijken, is mogelijk door ‘m in plakjes te zagen en die stuk voor stuk te onderzoeken. Het is duidelijk dat de functionaliteit daarbij verloren gaat. De nieuwe techniek maakt ook plakjes, maar dit zijn 2D afbeeldingen - zoals ook in de scanner in het ziekenhuis. Al deze beelden samen vormen een 3D beeld van het inwendige van de structuur.

Microscopie brengt geen duidelijk verschil aan het licht

Hoewel röntgentechnologie al lang in gebruik is, blijft het vaak nodig om het ‘sample’ open te maken, om de gewenste diepte en het gewenste contrast te halen. De nieuwe traceless X-ray tomography (TXT) profiteert van een aanzienlijk hogere röntgen foton-energie, zodat het mogelijk is om in samples te kijken met een silicium dikte van meer dan een millimeter. Diana Grishina, eerste auteur van het paper: “Dit is een 20 keer grotere dikte dan met bestaande technieken! In de huidige nanotechnologie is de dikte ruim voldoende om afbeeldingen te maken dwars door de hele wafer waarop de nanostructuur is aangebracht. Alle silicium structuren blijven intact tijdens het scannen.” Ook is het mogelijk om in te zoomen op een gewenst gebied.

Drie structuren die aan het oppervlak goed lijken maar die binnenin totaal verschillen. Alleen 'A' heeft de gewenste inwendige structuur, terwijl 'B' een holte laat zien die tijdens de productie is ontstaan. Bij 'C' blijven de porien zelfs ondiep.

2D beelden samenvoegen

In de experimenten is de röntgenstraling, met een foton-energie van 17 kilo electronvolt (keV), scherp gesteld tot een spotje van 23 nanometer bij 37 nanometer. De experimenten zijn gedaan bij de European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), Grenoble. Het sample is steeds verschoven en geroteerd om, op elke diepte, een plakje te kunnen afbeelden. Het combineren van alle beelden tot een 3D-afbeeldingen vergt dan nog het nodige rekenwerk.

Krachtig gereedschap

Als voorbeeld hebben de onderzoekers een zogenaamd ‘fotonisch kristal’ onderzocht, dat recent een doorbraak was in de wereld van de fotonica. In zo’n kristal is het mogelijk om licht naar je hand te zetten, zelfs tot op het niveau van een enkel foton. Het kristal dankt zijn functie aan vele diepe ‘poriën’, die in twee richtingen in het silicium zijn geëtst en die kunnen werken als een gevangenis voor licht. Aan het oppervlak kunnen de goede en slechte samples er identiek uitzien, maar dat zegt niets over het inwendige. Zo ontdekten de onderzoekers kristallen die inwendig een lege ruimte hadden, en ook kristallen waarvan de geëtste poriën heel oppervlakkig waren gebleven zodat de gewenste functie nooit te bereiken is. Onderzoeksleider prof. Willem Vos: “Als het sample dat je hebt gemaakt, anders presteert dan je zou verwacht, kan TXT de oorzaak boven tafel halen. Het sample blijft dan gewoon beschikbaar voor verder onderzoek. Daarom is het een uniek en krachtig gereedschap om 3D structuren kritisch te beoordelen.”

Het onderzoek is uitgevoerd in de Complex Photonic Systems (COPS) groep van het MESA+ Instituut van de UT, in nauwe samenwerking met het team van dr. Peter Cloetens, ESRF in Grenoble, Frankrijk. Het is mogelijk gemaakt dankzij het NWO-programma ‘Stirring Light’, het Shell/NWO programma ‘Computational Sciences for Energy Research’, de Descartes-Huygens Prijs van de Franse Academie der Wetenschappens, en bijdragen van MESA+ (Applied Nano Photonics) en ESRF (beamtime grants).

Het paper ‘X-Ray Imaging of Functional Three-Dimensional Nanostructures on Massive Substrates’, door Diana Grishina, Cornelis Harteveld, Alexandra Pacureanu, D. Devashish, Ad Lagendijk, Peter Cloetens en Willem Vos, is verschenen in ACS Nano, van de American Chemical Society.

ir. W.R. van der Veen (Wiebe)
Persvoorlichter (aanwezig ma-vr)