Entwicklung und Anwendung neuartiger Präparationsverfahren für die Transmissionselektronenmikroskopie von dünnen Schichten, Nanopartikeln und Kristalldefekten
Vieweg, Fernando Benito - Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (2012)
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Anwendung und Entwicklung innovativer Präparationsverfahren für die Transmissionselektronenmikroskopie. Dazu wurden neuartige Methoden entwickelt und angewandt, um die steigenden Anforderungen an die Probenpräparation zu erfüllen. Im Rahmen mehrerer Kooperationen wurden diese Methoden auf unterschiedliche Materialsysteme und Bauelemente angewandt und detaillierte mikroskopische Untersuchungen durchgeführt, um zu einem tieferen Verständnis von Struktur-Eigenschaftsbeziehungen und damit zu einer Optimierung der Materialien beizutragen.
Dünne Schichten und Schichtsysteme in realen Bauelementen zeigen häufig Inhomogenitäten auf Längenskalen, die mittels TEM an üblichen Querschnittsproben nicht repräsentativ abgebildet und untersucht werden können. Mit der Doppelkeilmethode sind großflächige Untersuchungen in jeder Tiefe der Schicht möglich, durch die statistisch relevante Informationen aus allen Schichttiefen zugänglich werden. Dieser innovative Präparationsansatz wird in der vorliegenden Arbeit erstmals auf ein reales Bauelement, eine CIS-Dünnschichtsolarzelle, angewandt, um ausgeprägte vertikale und horizontale, strukturelle und chemische Inhomogenitäten auf der Mikrometerskala zu charakterisieren. Bei empfindlichen Schichtproben sind die konventionellen Methoden zur Präparation von TEM-Querschnittsproben meist ungeeignet.
Durch eine spezielle Schattengeometrie kann mit einem fokussierten Ionenstrahl eine durchstrahlbare Probenkante geschnitten werden, ohne dass die Probenoberfläche mit Platin geschützt werden muss, wie es sonst nötig ist. So kann empfindliches Material ohne Zerstörung präpariert werden. Die Methode wurde gegenüber der aus der Literatur bekannten Geometrie verfeinert und auf eine Reihe unterschiedlicher Bauelemente erfolgreich angewendet, darunter Dünnschichttransistoren mit aktiven ZnO-Nanopartikelschichten und Feldeffekttransistoren auf der Basis selbstorganisierter monomolekularen Schichten. Die hochauflösenden und nanoanalytischen TEM-Untersuchungen konnten nicht nur den realen Schichtaufbau aufklären sondern zu einem mikroskopischen Verständnis der resultierenden Bauelementeigenschaften beitragen.
Eine andere Anwendung der Schattengeometrie betraf die Querschnittspräparation von natürlichen photonischen Kristallschichten einer Schmetterlingsflügelschuppe für elektronentomographische 3D-Analysen. Nur ohne Schutzschicht war es hier möglich, gezielt ausgewählte Bereiche der Chitin-Gerüststruktur zu präparieren und zu tomographieren. Die Möglichkeit der Zielpräparation mit dieser Geometrie wurde für die Entwicklung einer neuen Querschnittspräparation von Nanopartikeln genutzt. So wird es möglich, einzeln ausgewählte Nanopartikel eines beliebigen Ensembles selektiv und in gewünschter kristallographischer Orientierung zu schneiden, um die innere Struktur der Partikel mit hochauflösenden TEM-Verfahren untersuchen zu können, was insbesondere für anisotrope Nanopartikel von großem Interesse ist. Die weitreichenden Möglichkeiten der Methode konnten exemplarisch an zwei Anwendungen demonstriert werden: zum einen wurden gezielt Querschnitte einzelner Siliziumdioxid-Kugeln mit partieller Silberbelegung hergestellt, zum anderen aus einer Ansammlung von Silbernanopartikeln unterschiedlicher Geometrie Silbernanostäbchen ausgewählt und in definierter Orientierung präpariert. Bei beiden nanopartikulären Systemen konnten die hochauflösenden TEM-Analysen weitreichende Informationen zur Dimension und atomaren Struktur der Partikel sowie zu Defekten und Grenzflächen liefern, welche die optischen Eigenschaften und die Formstabilität beeinflussen.
Abschließend wird anhand einer Nickelbasis-Superlegierung eine neue Methode der Zielpräparation beschrieben, die eine gezielte Untersuchung der atomaren Struktur einzeln ausgewählter Versetzungen ermöglicht. Das Grundprinzip beruht dabei auf der FIB-Präparation eines Querschnitts aus einer vorhandenen TEM-Lamelle. Bei einer konventionell präparierten Probe einer kriechverformten Superlegierung wurde hierzu aus einer Vielzahl von Versetzungen eine für den Verformungszustand charakteristische Superversetzung ausgewählt und konventionell untersucht. Da die Aufspaltung der Versetzung und die atomare Struktur des Versetzungskerns von entscheidender Bedeutung für die Hochtemperaturfestigkeit der Superlegierung sind, ist eine hochauflösende TEM-Analyse in Querschnittsgeometrie für ein tieferes Verständnis dringend erforderlich. Deshalb wurde auf verschiedene Arten mit der FIB der Teil der Probe mit der ausgewählten Versetzung ausgeschnitten, auf spezielle Halter transferiert, ein Querschnitt der Versetzung präpariert und mittels TEM untersucht. Hier sind jedoch noch Optimierungsschritte notwendig, um Querschnittsproben hinreichender Qualität für hochauflösende Analysen der Versetzungskerne zu erzielen.