Oberflächenanalytik an BESSY II: Schärfere Einblicke in Dünnschicht-Systeme
Die Illustration zeigt, wie die APECS-Messung an einem Nickel-Einkristall mit oxidierter Oberfläche funktioniert. Ein Röntgenstrahl ionisiert Atome, entweder im Nickel-Kristall oder an der Oberfläche. Die angeregten Photoelektronen von der Oberfläche und aus dem Kristall haben leicht unterschiedliche Bindungsenergien. Die Auger-Elektronen ermöglichen es, die Herkunft der Photoelektronen zu bestimmen. © Martin Künsting /HZB
Grenzflächen in Halbleiter-Bauelementen oder Solarzellen spielen für ihre Funktionalität eine entscheidende Rolle. Dennoch war es bislang oft schwierig, mit spektroskopischen Verfahren angrenzende Dünnschichten getrennt zu untersuchen. Ein HZB-Team hat an BESSY II zwei verschiedene spektroskopische Methoden kombiniert und an einem Modellsystem demonstriert, wie gut die Unterscheidung damit gelingt.
Photo-Elektronen-Spektroskopie (PES) ermöglicht die chemische Analyse von Oberflächen und Halbleiterschichten. Dabei trifft ein Röntgenpuls (Photonen) auf die Probe und regt Elektronen an, die Probe zu verlassen. Mit speziellen Detektoren ist es dann möglich, Richtung und Bindungsenergie dieser Elektronen zu messen und so Auskunft über elektronische Strukturen und chemische Umgebung der Atome im Material zu erhalten. Liegen die Bindungsenergien jedoch in angrenzenden Schichten nahe beieinander, dann ist es mit PES kaum möglich, diese Schichten voneinander zu unterscheiden.
Ein Team am HZB hat nun gezeigt, wie sich dennoch präzise Zuordnungen erreichen lassen: Sie kombinierten Photo-Elektronen-Spektroskopie mit einer zweiten spektroskopischen Methode: der Auger-Elektronen Spektroskopie. Dabei werden Photoelektronen und Auger-Elektronen zeitgleich gemessen, was der resultierenden Methode ihren Namen gibt: APECS für Auger-Elektronen-Photoelektronen-Koinzidenzspektroskopie (APECS).
Ein Vergleich der so ermittelten Bindungsenergien lässt dann Rückschlüsse auf die jeweilige chemische Umgebung zu und ermöglicht so die Unterscheidung feinster Schichten. An einer einkristallinen Nickel-Probe, einem sehr guten Modellsystem für viele Metalle, konnte das Team nun zeigen, wie gut das funktioniert: Die Physiker konnten aus den Messdaten präzise die Verschiebung der Bindungsenergie der Elektronen ermitteln, je nachdem, ob diese aus der dünnen oxidierten Oberfläche oder aus den tieferen Kristallschichten stammten.
„Zunächst waren wir skeptisch, ob es gelingen würde, aus den Daten wirklich eine klare Unterscheidung herauszulesen. Wir waren begeistert über den deutlichen Effekt“, sagt Artur Born, Erstautor der Arbeit, der im Team von Prof. Alexander Föhlisch seine Doktorarbeit macht.
- Grüner Wasserstoff: Ultradünne Nickeloxidschichten erweisen sich als überlegenUltradünne Nickeloxid-Beschichtungen können die Leistung von Wasserelektrolyseuren mit Anionenaustauschmembran (AEM) deutlich verbessern. Dies hat ein Team um Dr. Michelle Browne nachgewiesen: Eine nur 10 Nanometer dicke Nickeloxidschicht übertrifft dabei die Leistung von herkömmlichen Nickeloxid-Pulverelektroden, benötigt dabei jedoch weniger als 1 % des Katalysatormaterials. Die Studie ist im „Journal of Materials Chemistry A“ veröffentlicht.
- Erstmals gesicherte Zahlen: Investitionen in BESSY lohnen sich für Berlin und DeutschlandEine Wirkungsanalyse des DIW Econ zeigt den wissenschaftlichen und wirtschaftlichen Wert von BESSY II. Jeder investierte Euro bringt Deutschland drei Euro ein, dem Land Berlin sogar zehn Euro. Darüber hinaus gibt die Studie eine wirtschaftliche Prognose zum Bau von BESSY III.
Die Wirkungsanalyse wurde am 3. September 2026 an Dr. Henry Marx, Staatssekretär für Wissenschaft und Forschung im Berliner Senat übergeben. Er befürwortet Investitionen und setzt sich mit Nachdruck für BESSY III ein. - BESSY II gibt Einblick in die Oxidationsprozesse von KupferBevor sich reines Kupferoxid bildet, entstehen komplexe Superstrukturen aus Kupfer- und Sauerstoffatomen wie „29“CuxO. Einblicke in diese „29“-CuxO-Superstruktur sind relevant für die Katalysatorforschung und den Korrosionsschutz bei der Entwicklung von Kupferbehältern für Endlager für radioaktive Abfälle.