DE4127361A1 - Verfahren zur erzeugung von beugungsbildern von oberflaechen mit hilfe von angeregten edelgasatomen - Google Patents

Verfahren zur erzeugung von beugungsbildern von oberflaechen mit hilfe von angeregten edelgasatomen

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    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21K—HANDLING OF PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
    • G21K1/00—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating
    • G21K1/16—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating using polarising devices, e.g. for obtaining a polarised beam
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Beugungsbildern von Oberflächen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es geht dabei um die Darstellung der lateralen Oberflächenstruk­ tur. Dafür geeignete Beugungsverfahren zeichnen sich dadurch aus, daß eine Strahlung, die im Material eine geringe Reichweite hat, normal zur Oberfläche, zumindest aber unter einem größeren Winkel zur Oberfläche einfällt.
Zu dieser Kategorie gehören LEED(Low Energy Electron Diffraction) [1] und EHAS (Elastic Helium Atom Scattering) [2]. Beide Verfah­ ren sind in der Oberflächenanalytik erfolgreich eingesetzt wor­ den.
Die Charakterisierung dieser Verfahren geschieht durch die Auf­ zählung hier relevanter Eigenschaften:
LEED
  • - Empfindlich nicht nur für die äußerste Atom-, bzw. Molekül­ lage, da Elektronen ins Material eindringen
  • - Einfluß von Mehrfachstreuung im Signal
  • - Spinpolarisation möglich (empfindlich für magnetische Eigenschaften)
  • - kaum chemische Empfindlichkeit
EHAS
  • - Empfindlich nur für die äußerste Atom-, bzw. Moleküllage (da thermische Atome nicht ins Material eindringen), bzw. für atomare Stufen
  • - Keine Empfindlichkeit für magnetische Eigenschaften
  • - Nur topologische, keine chemische Empfindlichkeit.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Kombinationen von vorteilhaften Eigenschaften (etwa die Empfindlichkeit für nur die äußerste Atomlage in Verbindung mit magnetischer Sensitivität) zu ermöglichen und zusätzliche Eigenschaften (etwa chemische Empfindlichkeit) zur Kontrastbildung heranzuziehen.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß zur Beugung weder Elektro­ nen noch Atome im Grundzustand, sondern Edelgasatome in angereg­ ten Zuständen benutzt werden, entsprechend dem Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche 2. bis 5. Als Abkürzung soll im folgenden ERGAD (= Excited Rare Gas Atom Diffraction) verwendet werden. Die Eigenschaften sind:
ERGAD
  • - Empfindlich nur für die äußerste Atom-, bzw. Moleküllage, bzw. für atomare Stufen, da Eindringtiefe gleich Null
  • - Topologische Empfindlichkeit
  • - Chemische Empfindlichkeit, da der Reflexionskoeffizient stark von der Natur der Oberfläche abhängt [3]. Besondere Eignung, Adsorbatstrukturen auf Metalloberflächen fast ohne Störung durch Substrat zu untersuchen.
Weitere Vorteile von ERGAD:
Der geringe Reflexionskoeffizient von angeregten Edelgasatomen an Wänden führt dazu, daß Untergrund durch vagabundierende Teilchen fast quantitativ unterbunden wird. Das Untergrund-Signal-Verhält­ nis ist extrem gut, und das bei einem sehr einfachen Aufbau des Detektors.
Strahlen von angeregten Edelgasatomen können mit bekannten Metho­ den so manipuliert werden [4], [5], daß die Strahldivergenz stark verringert wird, was zu einer Erhöhung der Strahlintensität führt und eine Erhöhung der Transferbreite um annähernd eine Größenord­ nung gegenüber den besten bekannten LEED-Systemen erlaubt.
Durchführbarkeit mit gegenwärtig bekannten technischen Mitteln
Die meisten Erfahrungen liegen bisher mit metastabilen Heliumatomen vor. Daher wird die Durchführung beispielhaft für diese Spezies beschrieben.
He*-Atome können erzeugt werden durch He-Düsenstrahlquellen mit anschließender Anregung eines Teils der Heliumatome in metasta­ bile Niveaus He(21S,23S) [6]. Dabei erhält man annähernd mono­ energetische He*-Atome. Die Variation des Wellenvektors der He*- Strahlen geschieht durch Variation der Betriebstemperatur der Düsenstrahlquelle. Im Gegensatz dazu erzeugt die - im Aufbau einfachere - Gasentladungsquelle eine breite Geschwindigkeitsver­ teilung der He*-Atome [7]. Durch Flugzeitanalyse kann der Wellen­ vektor der He*-Atome festgelegt werden.
Als Detektor für angeregte Edelgasatome genügt jeder Sekundärelektronenvervielfacher (Teilchenmultiplier, Channeltron, Channelplates für 2-dimensionale Detektion). Edelgasatome, die durch Wandstöße wieder in den Grundzustand übergegangen sind, werden in diesen Detektoren nicht registriert, was den Untergrund auf die Dunkelpulszählrate des Detektors reduziert. Geladene Teilchen, etwa aus der He*-Quelle oder aus der Reaktion von He*- Atomen mit der untersuchten Oberfläche, können durch statische Felder vom Detektor ferngehalten werden.
Die Verminderung der Strahldivergenz (Gegenstand des Unteran­ spruchs 2.) ist bisher für He(23S)-Atome erfolgreich mit zwei Methoden durchgeführt worden. 1. ein magnetischer Sextupol wirkt wie eine (chromatische) Sammellinse auf einen Strahl von He(23S)- Atomen. Der Strahl wird zusätzlich spinpolarisiert [4]. 2. mit Hilfe optischer Molasse läßt sich ein Atomstrahl parallelisieren [5]. Das Verfahren ist prinzipiell achromatisch und daher beson­ ders geeignet, wenn die He(23S)-Quelle ein breites Band von Geschwindigkeitskomponenten liefert und der Wellenvektor durch Flugzeitanalyse festgelegt werden soll. Aus [5] geht hervor, daß eine Kollimation des He(23S)-Strahls bis hinunter zu 10-4 rad mit vorhandenen Lasern möglich ist. Dies entspräche einer Tranfer­ breite von ca. 7000 Å, die damit fast eine Größenordnung über der Transferbreite der besten LEED-Systeme läge.
Zu Unteranspruch 4.: die Polarisation von He(23S)-Atomen durch optisches Pumpen ist seit langem bekannt [8].
Zu Unteranspruch 5.: durch optisches Pumpen mit einem Laserstrahl direkt an der Oberfläche können die metastabilen Edelgasatome in einen höher angeregten Zustand gebracht werden, bevor die Wech­ selwirkung mit der Oberfläche stattfindet. Da es sich um Re­ sonanzübergänge handelt, können die erforderlichen Laserleistun­ gen klein bleiben und somit nur unwesentlich die Eigenschaften der Oberfläche beeinflussen. Auf diese Weise ist die Änderung der Eigenschaften der angeregten Edelgasatome (Bindungsenergie, Sym­ metrie, Polarisationsgrad und -richtung) innerhalb einer großen Bandbreite möglich. Damit können verschiedene Eigenschaften der Oberfläche zur Kontrastbildung herangezogen werden.
Literatur
[1] G. Ertl and J. Küppers ′Low Energy Electrons and Surface
Chemistry′, VCH Verlagsgesellschaft, Weinheim 1985
[2] B. J. Hinch, A. Lock, H. H. Madden, J. P. Toennies and G. Witte
a) J. Electr. Spectr. Rel. Phen. 51 ((1990) 673
b) Phys. Rev. B42 (1990) 1547
[3] H. Conrad, G. Doyen, G. Ertl, J. Küppers, W. Sesselmann and H. Haberland
Chem. Phys. Lett. 88 (1982) 281
[4] G. Baum, W. Raith and H. Steidl
Z. Phys. D10 (1988) 171
[5] A. Aspect, N. Vansteenkiste, R. Kaiser, H. Haberland and M. Karrais
Chem. Phys. 145 (1990) 307
[6] H. Haberland, U. Buck and M. Tolle
Rev. Sci. Instrum. 56 (1985) 1712
[7] a) H. Hotop, E. Kolb and J. Lorenzen
J. Electr. Spectr. Rel. Phen. 16 (1979) 213
b) O. Leisin, H. Morgner and W. Müller
Z. Phys. A304 (1982) 23
c) S. Schohl, D. Klar, T. Kraft, H. A. J. Meyer, M.-W. Ruf, U. Schmitz, S. J. Smith and H. Hotop
Z. Phys. D (1991) submitted
[8] M. W. Hart, M. S. Hammond, F. B. Dunning and G. K. Walters
Phys. Rev. B39 (1989) 5488

Claims (5)

1. Verfahren zur Erzeugung von Beugungsbildern von Oberflächen, dadurch gekennzeichnet, daß die Beugungsbilder durch die Beugung eines Strahls von angeregten, insbesondere metasta­ bilen Edelgasatomen an der Oberfläche zustande kommen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Divergenz des Strahls von angeregten Edelgasatomen entweder durch statische magnetische Felder oder durch optische Metho­ den verringert wird, was zur Erhöhung der Flußdichte der angeregten Edelgasatome an der Oberfläche und zu einer Erhö­ hung der Transferbreite der Anordnung führt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es durch die Verwendung von angeregten Edelgasatomen in solchen Zuständen, die einen von Null verschiedenen Spin besitzen, auf magnetische Eigenschaften der Oberfläche empfindlich gemacht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die angeregten Edelgasatome vor dem Kontakt mit der Oberfläche in bezug auf eine beliebige Raumrichtung polarisiert werden und der Einfluß der Polarisierung auf das Beugungsbild regi­ striert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die angeregten Edelgasatome vor dem Kontakt mit der Oberfläche durch optisches Pumpen in einen (auch kurzlebigen) Zustand gebracht werden und die Abhängigkeit des Beugungsbildes von dem elektronischen Zustand registriert wird.
DE19914127361 1991-08-19 1991-08-19 Verfahren zur erzeugung von beugungsbildern von oberflaechen mit hilfe von angeregten edelgasatomen Withdrawn DE4127361A1 (de)

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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3829338A1 (de) * 1988-08-30 1990-03-01 Kernforschungsz Karlsruhe Vorrichtung zur ionisation eines polarisierten atomstrahls
WO1990003096A1 (en) * 1988-09-16 1990-03-22 Massachusetts Institute Of Technology Matter wave optics
US4935623A (en) * 1989-06-08 1990-06-19 Hughes Aircraft Company Production of energetic atom beams

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SCHOUTEN, Wim J.: Ion csattering spectroscopy for surface analysis. In: ACTA ELECTRONICA 18, 1, 1975,, S.47-50 *

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