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Physik: Abbild unbekannter Oberflächen

20.07.1999 - (idw) Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

Auf direktem Weg gelangt eine Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Klaus Heinz am Lehrstuhl für Festkörperphysik der Universität Erlangen-Nürnberg zum dreidimensionalen Ortsraumbild der atomaren Struktur einer Oberfläche: über ein holographisches Verfahren, das ähnlich wie die optische Holographie funktioniert, aber anstelle von Laserlicht einen Elektronenstrahl einsetzt. Voraussetzung ist, daß aus der Oberfläche einzelne Atome herausragen, an denen der Strahl in zwei Teile gespalten wird. Das Verfahren erweist sich als Schlüssel zur Analyse von Oberflächen, deren Struktur so komplex ist, daß sie mit Standardverfahren nur sehr schwer oder gar nicht zugänglich ist.

Standardmethoden zur Bestimmung atomarer Oberflächenstrukturen mittels Elektronen als Untersuchungssonde beruhen auf den Welleneigenschaften dieser Teilchen. Bei niedrigen Geschwindigkeiten - oder, was dasselbe besagt, geringen Energien - wird die Elektronenwelle von den periodisch angeordneten Atomen einer Oberfläche zurückgebeugt. Die Intensitäten des bei dieser Beugung langsamer Elektronen (engl. Low Energy Electron Diffraction, abgekürzt LEED) entstehenden Interferenzmusters können vermessen und daraus die Oberflächenstruktur bestimmt werden. Dazu ist jedoch eine aufwendige Analyse des experimentellen Datenmaterials notwendig: Für mögliche Oberflächenmodelle müssen die Intensitäten berechnet und unter Variation der Strukturparameter an die Meßdaten angeglichen werden - eine Methode, die durch die Mehrfachstreuung der Elektronen stark kompliziert wird. Das Verfahren versagt, wenn die Phantasie zum Auffinden des richtigen Modelltyps nicht ausreicht.

Einen Ausweg verspricht die holographische Interpretation von LEED-Intensitäten. Ähnlich der holographischen Methodik mit Licht wird der einfallende Elektronenstrahl durch ein von der Oberfläche hervorstehendes Adsorbatatom in einen Referenz- und einen Objektstrahl aufgespalten. Ersterer besteht aus den vom Atom direkt zurückgestreuten Elektronen, die vorwärtsgestreuten und dann von der Substratoberfläche zurückgebeugten Elektronen bilden den Objektstrahl. Beide Strahlen interferieren auf einem kleinen Bildschirm und bilden so das Hologramm. Dieses enthält die Information über die räumliche Anordnung der Substratatome um das Adsorbatatom, d.h. über die Struktur der Oberfläche.

Die Beugungsintensitäten auf dem Bildschirm werden als Funktion von Beugungswinkel und Energie der Elektronen gemessen. Per Computer läßt sich aus den Meßwerten ein räumliches Bild konstruieren, wie es etwa beim Blick durch ein Mikroskop mit atomarer Auflösung zu sehen wäre. Die Atome erscheinen dabei überraschend klar und scharf getrennt. Sie haben annähernd Kugelform, mit einem Durchmesser von 0,1 bis 0,2 nm (ein Nanometer entspricht dem millionsten Teil eines Millimeters) und ähneln stark atomaren Kugelmodellen. Die rekonstruierten Atompositionen sind bis auf etwa 0,05 nm genau. Noch präzisere Werte können durch eine nachgeschaltete konventionelle Intensitätsanalyse ermittelt werden, die dann schon auf den holographisch gewonnenen, konkreten Modellvorstellungen aufbauen und auch weiter vom Adsorbatatom entfernte Atome auffinden kann.

Sofern geeignet adsorbierte Atome vorliegen, ist das Verfahren sowohl auf ungeordnete wie auf geordnete Oberflächenstrukturen anwendbar. Wichtige Erfolge wurden zunächst durch Dr. Harald Wedler und Dr. Karsten Reuter für die ungeordnete Adsorption von Atomen auf einer Nickeloberfläche erzielt. Der Durchbruch zur größeren und wichtigeren Klasse der periodisch geordneten Gitterstrukturen gelang dann in Zusammenarbeit mit PD Dr. Ulrich Starke, Dipl. Phys. Jens Bernhardt und Dr. Judith Schardt. Mittels der holographischen Methode konnte die sog. 3x3-Rekonstruktion der Oberfläche des technologisch wichtigen Materials Siliziumkarbid aufgeklärt werden.

Die Erlanger Physiker kooperieren mit Arbeitsgruppen der University of Wisconsin-Milwaukee, des Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid und der University of Hong Kong. Nach Abschluß eines DFG-Einzelvorhabens werden die Arbeiten als Teilprojekt des SFB 292 von der Deutschen Forschungsgemeinschaft weitergefördert.


Wasserstoff-Adsorption

Ein weiteres Projekt von Prof. Klaus Heinz (zusammen mit Dr. Lutz Hammer), das ebenfalls die Elektronenbeugung (wenn auch nicht im holographischen Sinne) aber auch andere Verfahren wie die Desorptionsspektroskopie benutzte, befaßte sich mit der Untersuchung von Oberflächenstrukturen, die sich bei der Anlagerung von Wasserstoffatomen auf Oberflächen von Übergangsmetallen und Legierungen ausbilden. Diese Adsorptionsstrukturen entsprechen Vorstufen der Metallversprödung oder der Speicherung von Wasserstoff in Metallen. Wie Dr. Monika Arnold und Dr. Werner Frie zeigten, kann der chemisch aggressive Wasserstoff die Atome der Oberfläche deutlich verschieben und damit den Weg für weitere Prozesse öffnen.

Innerhalb beider Projekte wurden mehrere Diplom- und Doktorarbeiten angefertigt. Die Ergebnisse schlugen sich in zahlreichen Veröffentlichungen und Tagungsbeiträgen nieder.

Kontakt:

Prof. Dr. Klaus Heinz, Lehrstuhl für Festkörperphysik
Staudtstraße 7, 91058 Erlangen, Tel.: 09131/85 -28403, Fax: 09131/85 -28400
E-Mail: kheinz@fkp.physik.uni-erlangen.de
Internet: http://www.physik.uni-erlangen.de/fkp/projekte/holo.html
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