Untersuchung von Grenzflächen mit Hilfe der Elektronenenergieverlustspektroskopie in der höchstauflösenden Rastertransmissionselektronenmikroskopie
Heidelmann, Markus - Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (2011)
Durch die im Rahmen dieser Arbeit entwickelte StripeSTEM-Methode wurde der Zugang zur Erforschung von mikroskopischen Defekten und Grenzflächen sowie für im Hinblick auf die deponierte Elektronendosis empfindliche Materialien mit Hilfe der Elektronenenergieverlustspektroskopie ermöglicht. Bestehende Methoden zur ortsaufgelösten Spektroskopie können die Kontrolle über den tatsächlichen Messort nicht oder nur über enorme Anforderungen an die Stabilität des Mikroskopes sicherstellen. Eine mögliche Fehlinterpretation von Messergebnissen aufgrund von Strahlenschädigung stellt eine weitere Herausforderung bestehender Methoden dar. Beides ist mittels der StripeSTEM-Methode in zuvor nicht zugänglichem Maße realisierbar geworden.
Die experimentelle Grenze der neuen Methode konnte bei der Untersuchung einer mit Indium dotierten Zinkoxidprobe bestimmt werden, wobei eine experimentelle Halbwertsbreite des Indiumenergieverlustsignals von 2,5-3,0 Angström ermittelt wurde. Mit Hilfe von Multislice-Rechnungen konnte gezeigt werden, dass die Lokalisierung des EELS-Signals neben der Beschränkung durch die räumliche Ausdehnung des inelastischen Wirkungsquerschnittes auch durch die Aufweitung der Elektronensonde in Folge elastischer Streuprozesse begrenzt ist. Desweiteren zeigten die Rechnungen die Abhängigkeit der Intensität des Energieverlustsignals von dem mehr oder weniger stark ausgeprägten Gitterführungseffekt der unterschiedlichen Atomsäulen. Dieser Sachverhalt bedingt die Notwendigkeit von begleitenden Rechnungen bei der Auswertung experimenteller EELS-Daten, da nur auf diese Weise Aussagen über die tatsächliche Elementverteilung auf atomarer Ebene getroffen werden können.
Neben dem signifikanten Beitrag zur Methodenentwicklung wurden konkrete physikalische Fragestellungen zu unterschiedlichen Materialien beantwortet. Um einer möglichen Fehlinterpretation der Titan-EELS-Feinstruktur bei der Untersuchung der Grenzschicht zwischen Lanthanaluminat und Strontiumtitanat vorzubeugen wurden zunächst Experimente zur Strahlenschädigung anhand des beispielhaft ausgewählten Materials Strontiumtitanat durchgeführt. Die zerstörungsfreie Charakterisierung der Titan-EELS-Feinstruktur an der Grenzfläche zeigte keine Änderung der Titanvalenz, welche auf Sauerstoffleerstellen oder elektronische Rekonstruktion hätte schließen lassen. Es wurde vielmehr eine Kationensubstitution entdeckt, welche einen graduellen Übergang zwischen den verschiedenen Materialien zur Folge hat.
Die Untersuchung verspannter Bariumtitanatschichten wie sie z. B. in ferroelektrischen Kondensatoren Verwendung finden zeigte, dass die Elektronenenergieverslustspektroskopie in der Lage ist, strukturelle Änderungen des Probenmaterials im Bereich von 4-6 pm aufzulösen, womit sie vergleichbar performant ist wie die hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie. Der Vorteil der Spektroskopie liegt in der Möglichkeit im Vergleich zur HRTEM dickere Proben durchstrahlen zu können, um auf diese Weise die Relaxation dünner Schichten zu umgehen. In der abschließenden Anwendung wurde die Stöchiometrie eines Stapelfehlers in Strontiumtitanat untersucht. Hierbei zeigt sich erneut die Notwendigkeit begleitender Rechnungen. Der untersuchte Stapelfehler stellte sich als doppelte Strontiumlage heraus. Innerhalb des Stapelfehlers war kein Titan feststellbar.