Untersuchung von Grenzflächen mit Hilfe der Elektronenenergieverlustspektroskopie in der höchstauflösenden Rastertransmissionselektronenmikroskopie

Heidelmann, Markus; Urban, Knut

doi:30921

Untersuchung von Grenzflächen mit Hilfe der Elektronenenergieverlustspektroskopie in der höchstauflösenden Rastertransmissionselektronenmikroskopie = Analysis of interfaces by means of electron energy loss spectroscopy in the scanning transmission electron microscope

Heidelmann, Markus

2011

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Markus Heidelmann

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2011

UmfangII, 132 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Urban, Knut (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2011-04-05

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-36291
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/64287/files/3629.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Elektronen-Energieverlustspektroskopie (Genormte SW) ; Raster-Transmissions-Elektronenmikroskopie (Genormte SW) ; Hochauflösendes Verfahren (Genormte SW) ; Grenzfläche (Genormte SW) ; Physik (frei) ; Grenzflächen (frei) ; EELS (frei) ; STEM (frei) ; interfaces (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Durch die im Rahmen dieser Arbeit entwickelte StripeSTEM-Methode wurde der Zugang zur Erforschung von mikroskopischen Defekten und Grenzflächen sowie für im Hinblick auf die deponierte Elektronendosis empfindliche Materialien mit Hilfe der Elektronenenergieverlustspektroskopie ermöglicht. Bestehende Methoden zur ortsaufgelösten Spektroskopie können die Kontrolle über den tatsächlichen Messort nicht oder nur über enorme Anforderungen an die Stabilität des Mikroskopes sicherstellen. Eine mögliche Fehlinterpretation von Messergebnissen aufgrund von Strahlenschädigung stellt eine weitere Herausforderung bestehender Methoden dar. Beides ist mittels der StripeSTEM-Methode in zuvor nicht zugänglichem Maße realisierbar geworden. Die experimentelle Grenze der neuen Methode konnte bei der Untersuchung einer mit Indium dotierten Zinkoxidprobe bestimmt werden, wobei eine experimentelle Halbwertsbreite des Indiumenergieverlustsignals von 2,5-3,0 Angström ermittelt wurde. Mit Hilfe von Multislice-Rechnungen konnte gezeigt werden, dass die Lokalisierung des EELS-Signals neben der Beschränkung durch die räumliche Ausdehnung des inelastischen Wirkungsquerschnittes auch durch die Aufweitung der Elektronensonde in Folge elastischer Streuprozesse begrenzt ist. Desweiteren zeigten die Rechnungen die Abhängigkeit der Intensität des Energieverlustsignals von dem mehr oder weniger stark ausgeprägten Gitterführungseffekt der unterschiedlichen Atomsäulen. Dieser Sachverhalt bedingt die Notwendigkeit von begleitenden Rechnungen bei der Auswertung experimenteller EELS-Daten, da nur auf diese Weise Aussagen über die tatsächliche Elementverteilung auf atomarer Ebene getroffen werden können. Neben dem signifikanten Beitrag zur Methodenentwicklung wurden konkrete physikalische Fragestellungen zu unterschiedlichen Materialien beantwortet. Um einer möglichen Fehlinterpretation der Titan-EELS-Feinstruktur bei der Untersuchung der Grenzschicht zwischen Lanthanaluminat und Strontiumtitanat vorzubeugen wurden zunächst Experimente zur Strahlenschädigung anhand des beispielhaft ausgewählten Materials Strontiumtitanat durchgeführt. Die zerstörungsfreie Charakterisierung der Titan-EELS-Feinstruktur an der Grenzfläche zeigte keine Änderung der Titanvalenz, welche auf Sauerstoffleerstellen oder elektronische Rekonstruktion hätte schließen lassen. Es wurde vielmehr eine Kationensubstitution entdeckt, welche einen graduellen Übergang zwischen den verschiedenen Materialien zur Folge hat. Die Untersuchung verspannter Bariumtitanatschichten wie sie z. B. in ferroelektrischen Kondensatoren Verwendung finden zeigte, dass die Elektronenenergieverslustspektroskopie in der Lage ist, strukturelle Änderungen des Probenmaterials im Bereich von 4-6 pm aufzulösen, womit sie vergleichbar performant ist wie die hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie. Der Vorteil der Spektroskopie liegt in der Möglichkeit im Vergleich zur HRTEM dickere Proben durchstrahlen zu können, um auf diese Weise die Relaxation dünner Schichten zu umgehen. In der abschließenden Anwendung wurde die Stöchiometrie eines Stapelfehlers in Strontiumtitanat untersucht. Hierbei zeigt sich erneut die Notwendigkeit begleitender Rechnungen. Der untersuchte Stapelfehler stellte sich als doppelte Strontiumlage heraus. Innerhalb des Stapelfehlers war kein Titan feststellbar.

The development of the StripeSTEM technique enabled the investigation of microscopic defects and interfaces as well as electron beam sensitive materials by means of electron energy loss spectroscopy (EELS). Existing techniques require enormous efforts regarding microscope stability to ensure control over the measurement location. A possible miss-interpretation due to beam damage is another challenge of existing techniques. The StripeSTEM technique offers advantages regarding both obstacles. Experimental limits of the new method were measured on an indium doped zinc-oxide sample and showed a full width half maximum of the indium EELS signal of 2.5-3.0 angström. It was demonstrated by means of multislice calculations that the localization of the EELS signal is not only limited by the inelastic cross section but also by the dynamic dispersion of the electron probe inside the sample. Besides the calculations showed the dependence of the intensity of the EELS signal on the channeling effect of the different atomic columns. This circumstance requires the necessity of accompanying calculations for the proper analysis of experimental EELS data concerning the elemental concentration on the atomic scale. Besides the significant contribution to the methodical development concrete physical problems related to different materials were addressed. In order to prevent a possible miss-interpretation of the titanium-EELS-fine-structure in an investigation of the interface between lanthanum-aluminate and strontium-titanate experiments concerning the beam damage on strontium-titanate were conducted. The subsequent non-destructive characterization of the titanium-EELS-fine-structure did not show any change in the valence of the titanium atoms which would have been a proof for oxygen vacancies or electronic reconstruction. In fact a substitution of cations was found to avoid the polar catastrophe. The investigation of strained layers of barium-titanate revealed the ability of EELS to detect structural differences of the sample material in the range of 4-6 pm which implies that EELS shows similar performance like high resolution transmission electron microscopy (HRTEM). The advantage of EELS is the ability to examine thicker samples when compared to HRTEM. In the last application the stoichiometrie of a stacking fault in strontium-titanate was analyzed. Again the need for accompanying calculations was proven. The stacking fault in question turned out to be a double layer of strontium without any titanium inside.

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