Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005 - lamp.tugraz.at

Methoden
M1: 3D-Atomsonde (3D APFIM)
M1: 3D-Atomsonde
(Analytische Feldionenmikroskopie,
3D APFIM)
Funktionsprinzip
Das wichtigste Funktionselement einer 3D-
Atomsonde (3D APFIM, 3D Atom Probe Field Ion
Microscopy) ist die Probe selbst, die als feine nadelförmige
Spitze mit einem Endradius von 20 – 50
nm vorliegen muss. Die Probenspitze befindet sich
auf tiefer Temperatur (< 100 K) in einer Ultrahochvakuumkammer
und ist vor einem ortsauflösenden
Nachweissystem, welches auch noch einzelne
Ionen erfassen kann, positioniert (s. Abb. 1).
Durch Anlegen einer positiven Hochspannung und
Überlagerung eines Hochspannungsimpulses von
Nanosekunden-Dauer wird an der Spitze ein hohes
elektrisches Feld erzeugt. Dadurch können
gezielt einzelne Atome als Ionen von der Oberfläche
abgelöst werden. Die Ionen werden nahezu
radial von der Spitzenoberfläche emittiert, damit
wirkt das Instrument als Projektionsmikroskop
mit praktisch millionenfacher Vergrößerung. Der
Auftreffpunkt eines Ions auf dem ortsauflösenden
Detektor kann direkt der ursprünglichen Position
des Atoms auf der Probenoberfläche zugeordnet
werden, die Flugzeit als Funktion der Masse ergibt
die chemische Natur des abgelösten Atoms. Löst
man ein Atom nach dem anderen ab erhält man
die Verteilung der chemischen Elemente an der
Oberfläche mit nahezu atomarer Auflösung. Nach
weiterer Ablösung von einer Atomlage nach der anderen
erhält man die chemische Information in die
Tiefe. Der gemessene Datensatz erlaubt eine volle
räumliche Rekonstruktion der Elementverteilung
des untersuchten Materials auf atomarem Maßstab.
Die chemische Zusammensetzung kann hier
quantitativ korrekt durch Zählen der gemessenen
Ionen ermittelt werden. Befüllt man die evakuierte
Mikroskopkammer mit Edelgas geringen Druckes,
dann wird im elektrischen Feld an der Oberfläche
das Gas ionisiert und man erhält als Projektion der
Ionen ein atomar aufgelöstes Abbild der Oberfläche
(Feldionenmikroskopische Abbildung) und damit
eine zusätzliche topografische Information.
Der typische Analysenbereich umfasst zylindrische
Volumina von 10 – 50 nm im Durchmesser
und bis 200 nm in die Tiefe. Die laterale Auflösung
beträgt etwa 0,3 – 0,5 nm. Die Tiefenauflösung resultiert
aus dem Atomlagenabstand des Materials
von 0,15 – 0,2 nm.
Abbildung 1: Funktionsprinzip der 3D-Atomsonde .
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Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005
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