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.
- Neue Katalysatormaterialien auf Basis von Torf für BrennstoffzellenEisen-Stickstoff-Kohlenstoff-Katalysatoren haben das Potenzial, teure Platinkatalysatoren in Brennstoffzellen zu ersetzen. Dies zeigt eine Studie aus Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) und der Universitäten in Tartu und Tallinn, Estland. An BESSY II beobachtete das Team, wie sich komplexe Mikrostrukturen in den Proben bilden. Anschließend analysierten sie, welche Strukturparameter für die Förderung der bevorzugten elektrochemischen Reaktionen besonders wichtig waren. Der Rohstoff für solche Katalysatoren ist gut zersetzter Torf.
- Helmholtz-Nachwuchsgruppe zu MagnonenDr. Hebatalla Elnaggar baut am HZB eine neue Helmholtz-Nachwuchsgruppe auf. An BESSY II will die Materialforscherin sogenannte Magnonen in magnetischen Perowskit-Dünnschichten untersuchen. Sie hat sich zum Ziel gesetzt, mit ihrer Forschung Grundlagen für eine zukünftige Terahertz-Magnon-Technologie zu legen: Magnonische Bauelemente im Terahertz-Bereich könnten Daten mit einem Bruchteil der Energie verarbeiten, die moderne Halbleiterbauelemente benötigen, und das mit bis zu tausendfacher Geschwindigkeit.
Dr. Hebatalla Elnaggar will an BESSY II magnetische Perowskit-Dünnschichten untersuchen und damit die Grundlagen für eine künftige Magnonen-Technologie schaffen.
- Zukunft der Korallen – Was Röntgenuntersuchungen zeigen könnenIn diesem Sommer war es in allen Medien. Angetrieben durch die Klimakrise haben nun auch die Ozeane einen kritischen Punkt überschritten, sie versauern immer mehr. Meeresschnecken zeigen bereits erste Schäden, aber die zunehmende Versauerung könnte auch die kalkhaltigen Skelettstrukturen von Korallen beeinträchtigen. Dabei leiden Korallen außerdem unter marinen Hitzewellen und Verschmutzung, die weltweit zur Korallenbleiche und zum Absterben ganzer Riffe führen. Wie genau wirkt sich die Versauerung auf die Skelettbildung aus?
Die Meeresbiologin Prof. Dr. Tali Mass von der Universität Haifa, Israel, ist Expertin für Steinkorallen. Zusammen mit Prof. Dr. Paul Zaslansky, Experte für Röntgenbildgebung an der Charité Berlin, untersuchte sie an BESSY II die Skelettbildung bei Babykorallen, die unter verschiedenen pH-Bedingungen aufgezogen wurden. Antonia Rötger befragte die beiden Experten online zu ihrer aktuellen Studie und der Zukunft der Korallenriffe.