Ein neuer Ansatz für Low-Level-Messungen von Nanostrukturen
Messungen an Halbleitermaterialien, Hochtemperatursupraleitern, neuen photovoltaischen Bauelementen und organisch-elektronischen Materialien erfordern in der Regel Low-Level-Quellen und -Messungen. Da sie häufig auf Nanostrukturen basieren, können bereits geringe Wärmeeinträge die Systeme stören, schädigen oder sogar zerstören. Daher müssen die messbaren Signale möglichst nahe am Rauschpegel liegen.
Für diese Art von Messungen gibt es zwei Ansätze, zum einen Gleichstromtechniken und zum anderen Wechselstromtechniken bis in den RF-Frequenzbereich.
Bei Verwendung von Gleichströmen können sehr genaue und reproduzierbare Ergebnisse erzielt werden, die sich gut mit anerkannten Standards abgleichen lassen. Allerdings haben auch diese Messungen ihre Grenzen, da sie sehr empfindlich auf das rosa Rauschen (1/f-Rauschen) reagieren. Wenn die interessierenden Signale mindestens die Größe des rosa Rauschens haben, kann durch wiederholte Messungen genügend Statistik erzeugt werden, um ein hohes Maß an Genauigkeit zu erreichen.
Mit zunehmender Frequenz der Messung nimmt der Anteil dieses Rauschens ab und es bleibt lediglich das weiße Untergrundrauschen, daher sind auch AC-Messverfahren sehr beliebt. Regt man seine Probe hingegen mit einer spezifischen Frequenz an (Referenzfrequenz), erhält man als Messung die modulierte Antwort der Probe sowie DC-Signale, wie thermoelektrische Spannungen, die aus dem Messaufbau selbst entstehen und auch Antworten höherer Ordnung, welche bei harmonischen Frequenzen der Referenzfrequenz liegen.
Um das modulierte Signal extrahieren zu können, wird typischerweise eine homodyne oder Lock-In-Technik verwendet. Für diese Art von Messungen hat Lake Shore das M81-SSM entwickelt.
SSM steht für „Synchronous Source Measure“ – synchronisiertes Quell- und Messsystem. Es kombiniert Low-Level-Quellen und -Messungen, mit eng synchronisierten DC- und AC-Signalen in einem Halbrackgerät.
Neben DC- und AC-Messungen sind auch Lock-In-Messungen aus einem Gerät heraus möglich. Dadurch vereinfacht sich zusätzlich der Messaufbau und Fehlerquellen wie ungeschirmte Kabel oder Erdschleifen können vermieden werden.
Eine ausführliche Betrachtung zu den Low-Level-Messmethoden hat Lake Shore in seiner Veröffentlichung „A new approach to improving confidence in low-level measurements of nanostructures” erläutert.
