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.
- Optische Innovationen für Solarmodule – Was bringt den Ausbau am meisten voran?Im Jahr 2023 erzeugten Photovoltaikanlagen weltweit mehr als 5% der elektrischen Energie und die installierte Leistung verdoppelt sich alle zwei bis drei Jahre. Optische Technologien können die Effizienz von Solarmodulen weiter steigern und neue Einsatzbereiche erschließen, etwa in Form von ästhetisch ansprechenden, farbigen Solarmodulen für Fassaden. Nun geben 27 Fachleute einen umfassenden Überblick über den Stand der Forschung und eine Einschätzung, welche Innovationen besonders zielführend sind. Der Bericht, der auch für Entscheidungsträger*innen in der Forschungsförderung interessant ist, wurde von Prof. Christiane Becker und Dr. Klaus Jäger aus dem HZB koordiniert.
- Katalyseforschung mit dem Röntgenmikroskop an BESSY IIAnders als in der Schule gelernt, verändern sich manche Katalysatoren doch während der Reaktion: So zum Beispiel können bestimmte Elektrokatalysatoren ihre Struktur und Zusammensetzung während der Reaktion verändern, wenn ein elektrisches Feld anliegt. An der Berliner Röntgenquelle BESSY II gibt es mit dem Röntgenmikroskop TXM ein weltweit einzigartiges Instrument, um solche Veränderungen im Detail zu untersuchen. Die Ergebnisse helfen bei der Entwicklung von innovativen Katalysatoren für die unterschiedlichsten Anwendungen. Ein Beispiel wurde neulich in Nature Materials publiziert. Dabei ging es um die Synthese von Ammoniak aus Abfallnitraten.
- BESSY II: Magnetische „Mikroblüten“ verstärken Magnetfelder im ZentrumEine blütenförmige Struktur aus einer Nickel-Eisen-Legierung, die nur wenige Mikrometer misst, kann Magnetfelder lokal verstärken. Der Effekt lässt sich durch die Geometrie und Anzahl der „Blütenblätter“ steuern. Das magnetische Metamaterial wurde von der Gruppe um Dr. Anna Palau am Institut de Ciencia de Materials de Barcelona (ICMAB) mit Partnern aus dem CHIST-ERA MetaMagIC-Projekts entwickelt und nun an BESSY II in Zusammenarbeit mit Dr. Sergio Valencia untersucht. Die Mikroblüten ermöglichen vielfältige Anwendungen: Sie können die Empfindlichkeit magnetischer Sensoren erhöhen, die Energie für die Erzeugung lokaler Magnetfelder reduzieren, und am PEEM-Messplatz an BESSY II die Messung von Proben unter deutlich höheren Magnetfeldern ermöglichen.