Elektronenholographie zur dreidimensionalen Abbildung von Atomstrukturen

Abstract

Die Eigenschaften eines Stoffs werden durch die Anordnung der darin enthaltenen Atome bestimmt. Zum Verständnis von Materialien und zur Entwicklung neuer High-Tech-Stoffe ist daher die Untersuchung der korrespondierenden Atomstrukturen unumgänglich. In dieser Arbeit wird ein neuartiges Verfahren vorgestellt mit dessen Hilfe es möglich ist Atomstrukturen auf direkte Art und Weise dreidimensional abzubilden. Das Verfahren basiert dabei auf der holographischen Rekonstruktion von Elektronenbeugungsmustern, die sowohl durch Photoelektronenbeugung (XPD) als auch durch Elektronenrückstreuung (EBSD) entstehen. Obwohl die holographische Rekonstruktion solcher Elektronenbeugungsmuster seit Mitte der 1980er Jahre im Mittelpunkt vieler Forschungsarbeiten stand, konnte bislang kein allgemein funktionierendes Verfahren entwickelt werden, das Atomstrukturen zuverlässig abbildet. Im Allgemeinen führt die Rekonstruktion eines Elektronenbeugungsmusters zu einer räumlichen Verteilung von Bildartefakten und Rauschen. Tatsächliche Atompositionen lassen sich in solchen Rekonstruktionen in der Regel nicht eindeutig zu erkennen. Im Rahmen einer theoretischen Analyse zeigt diese Arbeit, dass solche Artefakte ausschließlich durch die anisotrope Streucharakteristik der Elektronen entstehen. Zur Vermeidung der Artefakte wurden daher die Beugungsmuster von Elektronen mit kinetischen Energien von mehreren keV rekonstruiert. Bei diesen Energien sind gestreute Elektronenwellen in Vorwärtsrichtung innerhalb kleiner Raumwinkel nahezu isotrop. Die korrespondierenden Intensitätsmodulationen in den Beugungsmustern lassen sich daher holographisch rekonstruieren. Allerdings resultieren durch die starke Vorwärtsstreuung von keV-Elektronen ebenfalls starke Bildartefakte. Diese negativen Einflüsse lassen sich jedoch unterdrücken, falls zur Rekonstruktion ein Differenzmuster verwendet wird, das durch Subtraktion zweier Beugungsmuster entsteht, die bei unterschiedlichen Elektronenenergien aufgenommen werden. Wie in dieser Arbeit analytisch gezeigt ist, entspricht ein solches Differenzmuster innerhalb gewisser Parameter ebenfalls einem Hologramm. Durch die Rekonstruktion solcher Differenzmuster ist es möglich Atomstrukturen mit 1000 Atomen und mehr korrekt in allen drei Raumrichtungen abzubilden. Dies ist anhand experimenteller und simulierter Beugungsmuster für die Materialien Wolfram, Silizium, Graphit und Pyrit demonstriert. Weiterhin ist gezeigt, dass die rekonstruierten Atompositionen direkt dem korrespondierenden chemischen Element zugeordnet werden können. Das beschriebene Verfahren ermöglicht somit nicht nur die zuverlässige Aufklärung von Atompositionen in drei Dimensionen, sondern bietet gleichzeitig auch die Möglichkeit die chemische Struktur zu bestimmen.