Elektronenenergieverlust an Grenzflächen

Um die Eigenschaften verschiedener Materialien zu verstehen und dieses Wissen anzuwenden, um technologischen Herausforderungen zu begegnen, ist es unerlässlich, die Zusammensetzung dieser Materialien zu verstehen. Eine zentrale Technik, um Materie auf der atomaren Ebene zu untersu- chen, ist die Transmissionselektronenmikroskopie in Verbindung mit Elektronenenergieverlustspekt- roskopie. Die neuesten, aberrationskorrigierten Transmissionselektronenmikroskope (TEMs) ermög- lichen es, einen Elektronenstrahl auf einen Durchmesser unter einem Angström zu fokussieren und durch die Probe zu schicken. Aufgrund der Wechselwirkung zwischen Strahl und Probe können viele der Materialeigenschaften wie die Kristallstruktur, die chemische Zusammensetzung oder die Bin- dung der Atome abgeleitet werden. Dazu ist es allerdings notwendig, die Messdaten richtig zu inter- pretieren, was durch die Komplexität der Wechselwirkung erheblich erschwert wird. Die üblichen Ansätze für diese Interpretation basieren auf idealen, perfekt geordneten, translationssymmetri- schen Systemen. Diese Ansätze sind gut geeignet für Bulkproben und haben dort in der Vergangen- heit hervorragende Resultate hervorgebracht. Bei der Untersuchung von Interfaces ergeben sich allerdings komplett neue Herausforderungen. Die oben genannten üblichen Ansätze funktionieren nämlich nicht mehr, wenn sich die Probeneigen- schaften über sehr kurze Strecken drastisch ändern so wie dies an Grenzflächen der Fall ist. Grenz- flächen, dünne Schichten und Quantentöpfe sind allerdings Schlüsselbereiche der Forschung in vielen Gebieten und von außerordentlicher Bedeutung nicht nur für die Grundlagenforschung sondern auch für die angewandte Forschung und industrielle Anwendungen. Der Fokus dieses Projekts liegt auf der experimentellen und theoretischen Erforschung neuer Wege, um die Herausforderungen zu überwinden, die Grenzflächen für die Interpretation von elektronen- mikroskopischen Daten darstellen. Durch die Verbesserung der Simulationsalgorithmen und -programme sollen neue Einsichten in die Wechselwirkung zwischen dem Elektronenstrahl und Grenzflächen gewonnen werden. Diese Erkenntnisse werden dann zuerst an Standardmodellsyste- men erprobt und validiert und anschließend auf technologisch relevante Materialien wie Heuslerle- gierungen oder AlN-GaN Grenzflächen angewendet, die von zentraler Bedeutung für die Halbleiter- industrie sind. Unser Verständnis von Grenzflächen sowie deren technologische Anwendungen werden in hohem Maße von den Lösungen für die Messung, Interpretation und Simulation profitieren, die im Zuge dieses Projekts erarbeitet werden. Da diese Forschung noch am Anfang steht, ist zu erwarten, dass viele neue Einsichten gewonnen werden können, die sowohl für die Grundlagenforschung als auch für die Industrie von außerordentlich hoher Bedeutung sind.

Während heutzutage viele Materialeigenschaften für den theoretischen, idealen Fall von unendlich ausgedehnten Kristallen gut verstanden sind, trifft eine äquivalente Aussage auf Grenzflachen und andere Defekte nicht immer zu. Allerdings spielen genau diese Grenzflachen und Defekte eine immer größere Rolle in modernen Werkstoffen. Eine gut geeignete Methode zur Untersuchung solcher Strukturen ist die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) in Verbindung mit der Elektronenenergieverlustspektrometrie (EELS). Bei dieser Untersuchungstechnik wird ein Elektronenstrahl durch das zu untersuchende Material geschickt und anschließend die Energie gemessen, die der Strahl an die Probe übertragen hat. Da Elektronenstrahlen mittels moderner Instrumente auf weniger als einen Atomdurchmesser fokussiert werden können, sind TEM und EELS ein idealer Ansatz für die Untersuchung von Grenzflachen und Defekten mit atomarer Präzision.Im Zuge dieses Projekts wurde untersucht, wie die messbare Information und die erreich- bare Auflösung von verschiedenen experimentellen Parametern abhängen. Überraschenderweise stellte sich heraus, dass bei Rasterung des Strahls (STEM) große Konvergenzwinkel die normalerweise für höchstaufgelöste Bilder verwendet werden, da sie den schärfsten Strahl erzeugen nicht notwendigerweise die beste Ortsauflosung in EELS ergeben. Weiters ergab sich, dass auch Imperfektionen im Gerat selbst zu einer inkohärenten Verbreiterung des Signals und damit zu einer deutlichen Verschlechterung der erreichbaren Auflösung beitragen.Die Ergebnisse, die im Rahmen dieses Projekts erzielt wurden, liefern ein besseres Verständnis, wie technologisch wichtige Materialien wie etwa magnetische Materialien, Schutzschichten und Supraleiter mit TEM und EELS in Zukunft effizienter untersucht werden können. Dies sollte auch zu weiteren Fortschritten in der Materialwissenschaft etwa zur Entwicklung neu- artiger Datenspeicher, besserer Abnutzungsresistenz und besserer Energieeffizienz beitragen. Darüber hinaus wird dieses Wissen auch in anderen angewandten Forschungsfeldern sowie in der Grundlagenforschung von großem Nutzen sein.