Orbitalkartierung an Grenzflächen

Laut Quantenmechanik bewegen sich die Elektronen in sogenannten Orbitalen um die Atomkerne. Aus diesen Orbitalen und deren Wechselwirkung miteinander lassen sich zahllose Materialeigenschaften wie z.B. mechanische Belastbarkeit und Haftung, optische, elektrische und magnetische Eigenschaften oder auch chemische Bindungen ableiten. Die Orbitale sind daher von zentraler Bedeutung für viele Wissenschaftsfelder von der Physik über die Chemie und Materialwissenschaft bis zur Biologie. Trotz ihrer zentralen Rolle ist es bislang allerdings sehr schwierig, einzelne Orbitale in Festkörpern direkt sichtbar zu machen und zu vermessen. In diesem Projekt werden wir die beiden Methoden der Transmissionselektronenmikroskopie und der Elektronenenergieverlustspektrometrie kombinieren, um einzelne Orbitale innerhalb ausgewählter Proben zu vermessen. Eine Herausforderung dabei liegt in der Größe der Orbitale und der benötigten Messpräzision begründet: sie sind weniger als ein milliardstel Meter groß (etwa tausendmal kleiner als die Wellenlänge des Lichts) und zur Messung wird ein Elektronenstrahl verwendet, der eine sehr genau bestimmte Energie an die Probe übertragen muss. Daraus resultiert, dass das zu messende Signal sehr schwach und stark verrauscht ist. Um diese Herausforderung zu meistern werden neueste Geräte der letzten Generation eingesetzt, um optimale Abbildungseigenschaften zu erreichen. Darüber hinaus werden sowohl theoretisch als auch praktisch die optimalen AbbildungsparameterwieProbendicke,Beschleunigungsspannungund Energieübertrag bestimmt. Zusätzlich werden neue Abbildungsverfahren wie Wellenfunktionsmodellierung und differentieller Phasenkontrast auf ihre Tauglichkeit für die Orbitalkartierung untersucht. Besonders Grenzflächen und Defekten in den Proben kommt bei der Orbitalkartierung besondere Bedeutung zu. Zum einen werden gewisse Aussagen über die Richtung von Orbitalen erst durch die lokale Änderung der Probe an Grenzflächen oder in der Nähe von Defekten möglich. Zum anderen spielen sie eine große Rolle in vielen praktischen Anwendungen wie der Haftung von Schutzschichten, der Effizienz elektronischer Bauteile oder der Entwicklung neuer Katalysatoren in der chemischen Industrie. Die neuartigen Ansätze zur Orbitalkartierung, die in diesem Projekt erarbeitet werden, werden daher zu einem nicht nur zu einem besseren Verständnis von Orbitalen sondern auch zu einer besseren praktischen Anwendbarkeit dieses Verständnisses führen.

Die meisten physikalischen Eigenschaften der uns umgebenden Welt gehen auf die Zustände und Wechselwirkung der Atomelektronen zurück. Aufgrund der Quantennatur der Elektronen und der unglaublich kleinen Größe der Atome kommt ein Großteil unseres Wissens über die elektronischen Zustände allerdings entweder aus indirekten Schlussfolgerungen oder aus Berechnungen aber nicht aus deren direkten Abbildung. In diesem Projekt haben wir eine Methode weiterentwickelt, um die Elektronenzustände mit Hilfe eines Transmissionselektronenmikroskops direkt abzubilden. Da das Signal einzelner Probenelektronen extrem schwach ist und die Proben unter den erforderlichen Abbildungsbedingungen schnell zerstört werden war ein wesentlicher Aspekt des Projekts die Optimierung der experimentellen Parameter. Dazu wurden mehrere neue Datenverarbeitsungsmethoden entwickelt. Das erlaubte uns, die vielversprechendsten Bedingungen für die Vermessung der Elektronenzustände zu identifizieren. Zusätzlich haben wir die die Theorie zur Beschreibung der Elektronenzustandsabbildung weiterentwickelt, indem wir wesentlich genauere Berechnungsmethoden für unsere Vorhersagen experimenteller Bilder angewandt haben. Schließlich haben wir die Methoden, die im Rahmen dieses Projekts entwickelt wurden, auf die experimentelle Untersuchung mehrerer Materialien angewandt. Ein wichtiges Material war dabei Graphen, ein bekanntes 2D Material das aus einer einzelner Lage Kohlenstoffatome besteht. In einer Multilagengraphenprobe konnten wir die Unterschiede zwischen Elektronenzuständen in der Graphenebene (die für die Bindung der Kohlenstoffatome verantwortlich sind) und jenen senkrecht zur Ebene sichtbar machen. Ein weiteres wichtiges Material, das im Rahmen des Projekts untersucht wurde, war eine Grenzfläche, an der ein sogenanntes 2D Elektronengas auftritt. An dieser Grenzfläche können sich die Elektronen in zwei Dimensionen frei bewegen, während sie in der dritten Dimension "eingesperrt" sind. Solche Material spielen eine wichtige Rolle unter anderem in modernen Halbleiterbauelementen. Die Methoden und Ergebnisse dieses Projekts verbessern unser Verständnis der komplexe Wechselwirkung von Atomelektronen und bahnt damit den Weg für neue Möglichkeiten zur Materialcharakterisierung auf der atomaren Ebene. Dies wird zweifelsohne große Auswirkungen auf viele Forschungsfelder wie Chemie, Elektronik und Materialwissenschaften haben.