Forschung mit Synchrotronstrahlung in Deutschland 2009 - SNI-Portal

Abbildung 1 Abbildung 2 Abbildung 3SMART auf Oberflächen geschautBeim SMART-Mikrospektroskop werden durch die Korrekturvon Abbildungsfehlern Auflösungungen im Nanometerbereichrealisiert.Mit Elektronen lassen sich kleinste Strukturen abbilden, dasich Elektronen gemäß der Quantentheorie teilweise wie Wellenverhalten. Die Elektronenmikroskopie liefert eine bis zu3.000-fach bessere Auflösung als die Lichtmikroskopie und lässtsich zudem vielseitiger mit anderen Messmethoden kombinieren.Bei der Photoelektronenemissionsmikroskopie werden zurAbbildung keine Elektronen aus einer externen Elektronenquellegenutzt, sondern Elektronen aus der Probe selbst, diemit Hilfe von Synchrotronstrahlung aus den Atomen gelöstwerden (innerer Photoeffekt).Da diese Photoelektronen direkt aus den untersuchten Probenkommen, tragen sie wichtige Informationen über chemische,elektronische und magnetische Eigenschaften der Probe,die durch geeignete Verfahren analysiert werden können.In der Elektronenmikroskopie ersetzen magnetische oderelektrostatische Linsen die Glaslinsen in der Lichtmikroskopie.Während aber die Abbildungsfehler der Glaslinsen nahezu vollständigu. a. durch Kombinationen konkaver und konvexer Linsenkorrigiert werden können und die Auflösung nur nochdurch die Wellenlänge des Lichtes begrenzt wird, lassen sichkeine konkaven Linsen für Elektronen konstruieren. Durch dieVerwendung von Blenden erreichte man bisher eine bestmöglicheAuflösung von rund 10 Nanometern, das ist rund zehnmalschlechter als prinzipiell möglich. Zudem wird die Abbildungdurch das Ausblenden des Großteils des Elektronenstrahlsdeutlich dunkler. Dies erschwert u. a. die Beobachtung von zeitaufgelöstenProzessen oder strahlungsempfindlichen Proben.Beim durch das BMBF geförderten SMART-Projekt gelanges Forschern nun, die Linsenfehler mit Hilfe eines Elektronenspiegelszu korrigieren. Als Folge wird die Auflösung auf wenigeNanometer und gleichzeitig der Akzeptanzwinkel desObjektivs verbessert. Dadurch wird die Transmission des Mikroskopsdeutlich erhöht und die Strahlungsbelastung der Probedrastisch erniedrigt.Das SMART-Instrument ist derzeit bei BESSY II an einerHochfluss-Strahlführung installiert. Die Designparameter, dieeine Auflösung von zwei Nanometern anzielen, sind mit einernachgewiesenen Ortsauflösung von 3,1 Nanometern nahezuerreicht. Die anvisierte Auflösung ist ideal geeignet, um Nanostrukturenan Oberflächen mittels Spektromikroskopie zu analysieren.Eine der bisherigen Hauptanwendungen des SMART-Projektszielt auf die Untersuchung des Wachstums von organischenDünnschichten auf Metalloberflächen. Auf diese Weiselässt sich während der Schichtherstellung das Wachstum derSchichten als Funktion der Zeit, Temperatur oder Aufdampfrateverfolgen. Die mikroskopische Abbildung erlaubt unter anderem,den Einfluss von Oberflächendefekten, atomaren Stufenauf der zu bedampfenden Oberfläche, auf das Wachstumsverhaltenund den Einbau großer Moleküle zu studieren.Mit Hilfe des SMART-Mikroskops wurde beispielsweise untersucht,wie sich Stufen auf einer zu bedampfenden Silberoberflächeauf die Ausbildung einer Schicht aus PTCDA-Molekülen auswirkten. PTCDA (3,4,9,10-Perylentetracarbonsäuredianhydrid)wird u. a. für organische Halbleiter-Bauelementeverwendet. Durch geeignete Kristallpräparation lassensich regelmäßig gestufte Silberoberflächen präparieren, auf diedas PTCDA aufgedampft wurde. Die Elektronenspektroskopiemacht dabei eine Verschiebung der elektronischen Niveausdeutlich, durch die auf die (kovalente) Art der Bindung zwischenPTCDA und Silber geschlossen werden kann. Bei nicht-gestuftenOberflächen bilden sich langreichweitig geordnete Bereicheaus, d. h. die PTCDA-Moleküle lagern sich periodisch an derGrenzfläche zum Metall an, wobei die Strukturparameter nahedem organischen Einkristall liegen.Im Fall der gestuften Silberoberfläche zeigt sich ein erstaunlicherEffekt: Aufgrund der starken Kopplung der PTCDA-Moleküle wird in der gestuften Oberfläche eine sogenannteFacettierung induziert, d. h. die Atome in der Silberunterlage lagernsich großflächig um, so dass die Stufen „wandern“ undsich letztlich unter den Bereichen befinden, in denen die Molekülegeordnete Domänen ausbilden. Diese (adsorbat-induzierte)Facettierung ist durch die Absenkung der freien Oberflächenenergiebegründet und konnte mit Hilfe des SMART-Mikroskopserstmalig in Echtzeit nachgewiesen werden.Abbildung 1:SMART-Spektromikroskopim KomplettaufbauAbbildung 2:Topographie derbedampften Oberfläche(Hellfeld-Darstellung)Abbildung 3:Dunkelfeldbild der Oberfläche.Der Kontrast entsprichtder Facettierungder Oberfläche aufgrundder Umorientierung derSilberunterlage.Siehe auch:H. Marchetto, U. Groh,Th. Schmidt, H. Kuhlenbeck,R. Fink, H.-J. Freund,E. Umbach: Influence ofthe substrate morphologyon the organic layer growthof PTCDA on Ag(111), Chem.Phys. 325 (2006) 178.Synchrotronstrahlung 2009 15