19_Methoden der Oberflaechentechnik

Methoden der Oberflächenanalytik
Die Oberfläche einer Probe unterscheidet sich immer von der Probe selber (Einflüsse: H2O, O2)
2 Messungsarten:
Fern- und Nahfeldmethoden
Fernfeldmethoden:
Die Probe wird von der „ferne“ betrachtet, das Licht wird ausgenützt für Informationen
der Oberfläche. Z.B.: Lichtmikroskop
Nahfeldmethoden:
gibt es erst seit ungefähr 20 Jahren;
hierbei nähert man sich der Probe in atomaren Dimensionen z.B. mit Hilfe von Abstoßungskräften oder dem Anlegen von Spannung. Der dann gemessene Stromfluss
wird aufgezeichnet.
Dazu zählt die Nanoskopie mit den Messmethoden STM und AFM
Atomarer Durchmesser liegt bei ungefähr 10-10 m (=0,1nm)
1. Fernfeldmethoden
z.B die klassische Mikroskopie
Rasterelektronenmikroskopie (REM)
Hierbei werden die Wechselwirkungen eines Elektronenstrahls mit einer Feststoffoberfläche gemessen.
Der eingestrahlte Elektronenstrahl hinterlässt ein sogenanntes „angeregtes Volumen“
in der Probe.
Gleichzeitig passieren nun folgende Vorgänge:
Elektronen des Elektronenstrahls können
 rückgestrahlt werden (sogenannte
Rückstrahlelektronen; haben eine hohe Energie) oder
 andere Elektronen aus der Probe herausschlagen (sekundär Elektronen,
haben eine niedrige Energie)
bei diesem Vorgang entsteht die elementspezifische Röntgenstrahlung, da
Elektronen auf höheren Schalen die
freigewordene Stelle nachbesetzen.
Röntgenstrahlung:
Das Primärelektron trifft auf ein Elektron in der Elektronenhülle z.B. der K-Schale (ist
jedoch auch bei höheren (L, M-)Schalen möglich!). Bei diesem Vorgang werden beide Elektronen aus der Elektronenhülle geschleudert. Der Platz auf der K Schale ist
nun frei. Dieser Platz wird nun von einem Elektron der beiden nächstgelegenen
Schalen nachbesetzt, wobei die Wahrscheinlichkeit der Nachbesetzung durch ein
Elektron der nächsten Schale (Kα) höher ist (spiegelt sich in der Intensität wieder!).
Beim Nachbesetzen von der nächstgelegenen Schale auf die Schale mit dem freien
Platz wird Energie frei, die charakteristisch für das jeweilige Element ist. Die Nachbesetzung von der übernächsten Schale(K β) ist noch energiereicher, was sich im Diagramm wiederspiegelt, da hohe Energie gleichbedeutend mit niedriger Wellenlänge
ist (ergo hohe Wellenlänge = niedrige Energie).
Die Bremsstrahlung entsteht beim Eintritt des Primärelektrons in die Elektronenhülle,
indem die Energie durch diese abgeschwächt wird.
(Bremsstrahlung kann man verschieben, indem man die Einstrahlenergie der Elektronen erhöht  dies führt zu einer Verschiebung der Bremsstrahlung zu niedrigeren
Wellenlängen!)
Ad REM:
Der Elektronenstrahl rastert über die Probe und kann dadurch viel oder wenig eines
Elementes erkennen. Dies wird in hell und dunkel Flecken wiedergegeben, es entstehen Bilder über die Morphologie der Probe. (Jedoch keine quantitative Aussage!)
Das erhaltene Bild hängt sehr stark vom Winkel des Elektronenstrahls (α) zur Probe
ab!!
Sekundärelektronenmikroskop
Nach dem Eindringen der Primärelektronen (PE) kommt es zu einer Stoßkaskade.
Die locker gebunden Valenzelektroden werden als Sekundärelektronen (SE) herausgeschlagen (Energie 1 – 20 eV). Die Intensität der SE hängt vom Winkel zwischen
PE und der Probenoberfläche ab. Austritt der SE erfolgt nur aus einem Bereich von
etwa 5 nm unterhalb der Oberfläche. Hohe Strahlparalellität ermöglicht große Tiefenschärfe.
Elementspezifische Bilder:
Die elementspezifische Wellenlänge der Röntgenstrahlung wird eingestellt und festgestellt, ob dieses Element in der Probe enthalten ist oder nicht. (Bei Verbindungen
misst man bei zwei verschiedenen elementspezifischen Wellenlängen und vergleicht
die Bilder, ob sie deckungsgleich sind).
Die Probe muss leitend sein, oder sie wird z.B. mit Gold beschichtet, damit sie leitet,
um überhaupt gemessen werden zu können.
Nachteil: Sauerstoff kann nicht gemessen werden.
Vorteil: sehr große Tiefenschärfe (wirkt wie ein Foto eines 3-D Gegenstandes)
Sekundärionen-Massenspektrometer
Mit Cäsium-Ionen wird die Probe Schicht für Schicht abgerastert (dabei geht die Probe verloren!)
Einige Geräte in Österreich stehen in der TU Wien und in Cybersdorf.
2. Nahfeldmethoden
Nanoskopie
Mikroskopie mit atomarer Auflösung
Scanning Tunnling Microscope (STM)
STM ist eine Art von Bilddarstellung.
1982 wurde es von den zwei Österreicheren Binning und Rohrer entwickelt. (1986
erhielten sie dafür den Nobelpreis)
Prinzip:
Zwischen der leitenden Probe und
einer metallischen Spitze (Au, W)
wird eine Spannung (0,3-3 V) angeregt. Die Spitze wird an die Probe soweit angenähert bis der Tunnelstrom fließt. Da der Tunnelstrom vom Abstand Spitze –
Probenoberfläche abhängt (steigert sich exponentiell), kann man
die Topographie der Probe in atomaren Dimensionen abbilden.
Die Spitze ist in den x,y und zAchsen bewegbar.
Die Probe wird weder beschichtet noch bearbeitet, jedoch wird unter Hochvakuum gearbeitet,
damit kein Schmutz bzw. Wasser auf der Oberfläche ist.
Es werden lediglich 20-30 nm der Probe abgerastert. Die Auflösung liegt bei ca. 10-10 m (=0,1
nm). Um eine noch höhere Auflösung zu erhalten (0,01 nm) muss man unter enormen Arbeitsaufwand arbeiten (Hochvakuum, mögliche
(Gebäude-) Schwingungen müssen verhindert
werden)
Es werden Piezokristalle verwendet. Piezokristalle haben die Eigenschaft sich unter Spannung geringfügig auszudehnen.
Die zwei Betriebsmodi der STM:
Constand Heigh Imaging (CHI):
Die Spitze wird in fester z-Position über
die Oberfläche geführt. Hohe Abtastrate: Nur bei Proben mit atomar glatter
Oberfläche. (in Abb. b))
Constant Current Imaging (CCI):
Der Tunnelstrom wird durch Veränderungen der z-Position der Spitze konstant gehalten. Das eigentliche Messsignal ist die Regelspannung des Piezokristalls in zRichtung. (in Abb. a))
Wichtig:
Der Tunnelstrom ist elementabhängig. So wirkt Cs aus der Oberfläche herausgehoben, weil seine Elektronen leichter herausgeschlagen werden und so schneller der
Tunnelstrom fließt  es kommt zur Verzerrung der Topographie.
Atomic Force Microscope (AFM)
(dt: Atomkraftmikroskop, dieser Name ist aber nicht gebräuchlich)
Für nichtleitende Proben, wurde 1985 entwickelt
Hierbei werden die Abstoßungskräfte der Elektronenhüllen von Probe und Spitze
gemessen.
Die Probe ist auf einem Piezokristall aufgebracht. An den Piezokristall wird eine
Spannung angelegt, dabei dehnt dieser sich (geringfügig) aus und bringt dadurch die
Probe in Nähe der Spitze. Die Spitze ist auf dem Cantilever (eine Biegefeder) befestigt. Sobald der Tunnelstrom fließt verbiegt sich die Biegefeder. Diese Bewegungen
werden durch einen Laser der auf die Rückseite des Cantilever fokussiert wird, reflektiert und auf eine Viersegment-Photodiode umgelenkt.