Messen im Nanometerbereich – Ein Quantensensor aus Diamant spürt kleinste Defekte auf

26.4.2018

Die integrierten Schaltkreise in der Elektronik werden immer komplexer, die auf ihnen befindlichen Strukturen immer kleiner. Auch bei modernen Festplatten sind die einzelnen magnetischen Bits – die Nullen und Einsen – gerade noch 10 – 20 nm groß. Winzige magnetische Felder sollen vermessen werden, um den Stromfluss auf elektronischen Schaltkreisen oder defekte Festplattensegmente zu erkennen. Möglich macht dies ein neuartiger Quantensensor aus Diamant, den das Fraunhofer IAF gemeinsam mit dem Max-Planck-Institut für Festkörperfoschung entwickelt.

© Fraunhofer IAF

Am Fraunhofer IAF hergestellter ultrareiner Diamant für quantenphysikalische Anwendungen.

© Fraunhofer IAF

Die besondere Ellipsoid-Form des am Fraunhofer IAF entwickelten Plasma-Reaktors ermöglicht das großflächige Abscheiden von Diamant.

Nanoskalig ist der eigentliche Sensor: Seine Spitze besteht aus synthetischem Diamant. Fünf Nanometer unter der Oberfläche wird in diesem Diamant ein Kohlenstoffatom durch ein Stickstoffatom ersetzt. In direkter Nachbarschaft dazu befindet sich eine Kohlenstoff-Leerstelle, in deren Potenzial ein Elektron eingefangen wird. Das magnetische Moment (Spin) dieses einzelnen Elektrons kann orientiert werden und fungiert in der Diamantspitze als der kleinste, mögliche »Tastmagnet«. Er reagiert auf äußere Magnetfelder, wie sie auf Festplatten und in den Leiterbahnen elektronischer Schaltkreise existieren.

Die künstliche Produktion von Diamant wurde am Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF in den letzten Jahrzehnten stetig weiter entwickelt und optimiert. In Mikrowellen-Plasmareaktoren werden die Kristalle aus den in Methan enthaltenen Kohlenstoffatomen unter Zugabe von Wasserstoff synthetisiert. Die Diamantschichten wachsen im Reaktor auf speziellen Substraten, die mithilfe eines Lasers abgetrennt und anschließend poliert werden. Der geplante Einsatz in der Quantensensorik stellt besondere Anforderungen an die Kristalle: Alle Ausgangsstoffe müssen vorgereinigt werden, um ultrasaubere Diamantschichten zu gewährleisten. Zudem muss das Methan zur Herstellung des Diamant- Sensors isotopenrein sein, damit nur das Elektron in der Diamantspitze ein magnetisches Moment besitzt.

Leiterbahnen und Festplatten können genau geprüft werden

Präzise bestimmen soll der Sensor die Position und Stärke selbst kleinster Magnetfelder. Möglich wird dies durch die optisch detektierte Elektronenspin-Resonanz-Spektroskopie. Bei diesem Verfahren wird das Stickstoff- Vakanz-Zentrum im Diamant beim »Abtasten« der zu prüfenden Stellen mit Laserlicht bestrahlt. Dadurch wird der Sensor dazu angeregt, selbst Licht auszusenden. Die charakteristischen Eigenschaften des zurück gestreuten Lichts ermöglichen Rückschlüsse auf die Lage und Stärke des zu vermessenden Magnetfeldes.

Der empfindliche Sensor kann Magnetfelder einzelner Elektronen und Atomkerne in Strukturen aufspüren, die nur wenige Nanometer groß sind. Bei einem elektronischen Schaltkreis ist es mit dem Quantensensor beispielsweise möglich, die Leiterbahnen auf ihre Funktion zu testen. Ein weiterer wichtiger Anwendungsbereich des Quantensensors liegt in der Qualitätsüberprüfung von Festplatten. Defekte Datensegmente lassen sich mit dieser Messmethode schnell und präzise identifizieren, die dann beim Schreib- und Lesevorgang ausgeschlossen werden können. Dies reduziert den Ausschuss und somit auch die Produktionskosten der zukünftigen Festplatten in erheblichem Maße.