Elektronenbeugung

Elektronenbeugung ist die Beeinflussung der Ausbreitung von Elektronen durch elastische Streuung an einem Ensemble von Streuobjekten (Atomen). Über den Welle-Teilchen-Dualismus sind den Elektronen die De-Broglie-Wellenlängen zugeordnet, so dass mit Elektronen Mikroskopie betrieben werden kann, analog zum Lichtmikroskop.

Funktionsweise

Die Elektronenbeugung funktioniert damit ähnlich wie die Röntgenbeugung. Durch Beugung des Elektronenstrahles an den einzelnen Streuern entsteht ein typisches Beugungsbild. Aus diesem Beugungsbild können prinzipielle Aussagen über die Anordnung der Atome erzielt werden (periodisch, nichtperiodisch, Abstände, thermische Schwingungen etc.). Allerdings wechselwirken Elektronen sehr viel stärker mit Atomen als Röntgenstrahlen, unter anderem deshalb werden Elektronenbeugungsverfahren in der Regel im Vakuum durchgeführt.

Da mit der Elektronenbeugung nur die Intensitätsverteilung der gebeugten Elektronenwellen, nicht aber deren Phase analysiert werden kann, ist eine direkte Analyse der Struktur des streuenden Materials nicht möglich. Häufig wird eine bestimmte Struktur vorausgesetzt, deren Beugungsmuster berechnet und mit der Messung verglichen wird. Durch sukzessives Anpassen eines solchen "Modells" können dann Atomabstände teilweise bis auf ein Ångström (10^-10 m) bestimmt werden.

Es gibt verschiedene Unterarten der Elektronenbeugung. Wichtige sind LEED, RHEED und TED. LEED und RHEED sind Verfahren zur Oberflächenanalyse, TED ist ein Volumenverfahren, also geeignet zur Untersuchung des Materialinneren (mit der für Elektronentransmissionsverfahren gegebenen Einschränkung der Materialdicke, siehe unten). Eine besondere Variante der TED ist GED, bei der der scheinbare Widerspruch zwischen einer Versuchsdurchführung im Vakuum und der Beugung an Gasen als Versuchsobjekt geschickt gelöst wird.

Im Vergleich zur Röntgenbeugung, bei der Wellenlängen in der Größenordnung im Bereich von etwa einem Ångström, der Größenordnung der Atomdurchmesser, benutzt werden, liegen die Wellenlängen bei der Elektronenbeugung je nach Verfahren deutlich darunter, bei Elektronenenergien von 100keV z. B. bei etwa 0,037 Ångström.

GED (gas electron diffraction)

GED (deutsch auch GEB abgekürzt) wird zur Aufklärung der Struktur von Molekülen kleiner und mittlerer Größe eingesetzt. Dazu wird eine gasförmige (oder z. B. durch Erwärmen verdampfte) Substanzprobe durch eine feine Düse in eine Hochvakuumkammer eingebracht. Dort trifft sie unmittelbar am Düsenausgang auf einen Elektronenstrahl, der typischerweise eine Energie von 40 - 60 keV besitzt. Das entstehende Beugungsbild besteht aus konzentrischen Ringen und kann mit unterschiedlichen Techniken aufgezeichnet werden (Photoplatte, Image-Plate, CCD-Kamera). Das Beugungsbild enthält die Information über alle Atom-Atom-Abstände innerhalb des untersuchten Moleküls. Die Gasphasen-Elektronenbeugung ist die wichtigste Methode zur Strukturbestimmung kleiner Moleküle und dient besonders als Referenz für quantenmechanische und molekülmechanische Berechnungen. Einer der wichtigen Meilensteine, die mit dieser Methode erzielt wurden, war die Konformationsaufklärung von Cyclohexan durch Odd Hassel (Oslo), wofür er 1969 mit dem Nobel-Preis für Chemie ausgezeichnet wurde. Neuere Entwicklungen zielen auf die direkte Aufklärung von Reaktionsmechanismen (Ahmed H. Zewail, Nobel-Preis für Chemie 1999).

LEED (low energy electron diffraction)

Hauptartikel: LEED

LEED wird vor allem zur Analyse von Werkstoffoberflächen eingesetzt. Dazu wird im Ultrahochvakuum (UHV) eine Oberfläche mit langsamen, energiearmen (10 – 200 eV) Elektronen beschossen und diese werden an den obersten Schichten in charakteristischer Weise gebeugt.

Durch die geringe mittlere freie Weglänge der energiearmen Elektronen im Kristall (ca. 1 Monolage) ist dieses Verfahren sehr oberflächensensitiv.

Die LEED-Optik

Von einem heißen Filament werden Elektronen emittiert und durch eine Anode in Richtung Probe beschleunigt. Durch ein elektrisches Linsensystem wird der Elektronenstrahl fokussiert. Nachdem die Elektronen an der Probe gestreut wurden, werden die Elektronen noch einmal in Richtung des Fluoreszenzschirm stark beschleunigt, wo sie schließlich als Beugungsbild sichtbar werden.

Die UHV-Technik

Die Verwendung eines Ultrahochvakuums ist zwingend erforderlich, da nur so die Oberfläche der Probe von Verunreinigungen freigehalten werden kann und sonst die mittlere freie Weglänge der Elektronen zu kurz wäre. Um das Ultrahochvakuum zu erzeugen, werden verschiedene Pumpentypen eingesetzt. Zur Druckmessung werden im Vorvakuum Pirani-Manometer und im Ultrahochvakuum Ionisationsmanometer verwendet.

RHEED (reflection high energy electron diffraction)

Hauptartikel: RHEED

RHEED wird gleichfalls zur Analyse von Materialoberflächen eingesetzt. Hierbei werden Elektronen mit Energien von einigen keV bis etwa 100 keV unter einem flachen Winkel auf die Oberfläche geschossen. RHEED ist wie LEED ein Oberflächenuntersuchungsverfahren und wird im Ultrahochvakuum (UHV) durchgeführt.

TED (transmission electron diffraction)

TED wird zur Analyse des Materialinneren eingesetzt. Es werden Elektronen mit Energien von einigen 10 keV bis einigen 100 keV durch eine hinreichend dünne Materialprobe (einige 10 nm bis einige 100 nm) geschossen. Diese Methode ist eine Standardmethode der Transmissionselektronenmikroskopie. Die Kombination von Abbildung und Beugung in einem Transmissionselektronenmikroskop ist besonders nützlich.

Um Abstände und Winkel der beugender Struktur zu bestimmen, sollten die Beugungsreflexe im Beugungsbild möglichst „scharf“, d.h. punktförmig, sein. Scharfe Reflexe entsprechen einem möglichst kleinen Winkelbereich für den konstruktive Interferenz auftritt. Die Breite dieses Winkels hängt direkt von der Breite des Winkelbereichs ab, aus dem die Struktur beleuchtet wird. Diese Breite wird als Konvergenzwinkel der Beleuchtung bezeichnet. Bei paralleler Beleuchtung wird dieser Konvergenzwinkel unendlich klein, weswegen bei konventionellen Beugungsmethoden die Proben immer parallel beleuchtet werden.

In einem modernen TEM mit Schottky- oder Feldemitter lässt sich die Beleuchtung aufgrund der Kohärenz des Elektronenstrahles auf etwa 20nm fokussieren, ohne dass der Strahl merklich an Parallelität verliert, so dass Beugungsuntersuchungen von sehr kleinen Bereichen möglich sind. Soll der Elektronenstrahl auf noch kleinere Durchmesser fokussiert werden, so muss sein Konvergenzwinkel zwangsläufig zunehmen. Man spricht dann von „Micro Diffraction“. Hier sind die Beugungsreflexe kleine Scheiben anstatt Punkte im Beugungsbild.

Bei sehr großem Konvergenzwinkel des Elektronenstrahles spricht man von konvergenter Elektronenbeugung (CBED; engl. Convergent Beam Electron Diffraction) an Kristallen. Durch die konvergente Beleuchtung werden zwar die Beugungsreflexe zu breiten Scheiben, da aber bei Kristallen nur für bestimmte Winkel (Abstände im Beugungsbild) konstruktive Interferenz auftritt, lässt sich der Beleuchtungswinkel so einrichten, dass diese Beugungsscheibchen untereinander nicht überlappen. Der Vorteil von CBED ist, dass hier die Beugungsbilder für verschiedene Eintrittswinkel des Elektronenstrahls „gleichzeitig“ beobachtet werden können. Daher lassen sich in den Beugungsscheibchen Muster erkennen, die sich aus den Unterschieden der (dynamischen) Beugung im Kristall für die verschiedenen Eintrittswinkeln ergeben. Aus diesen Muster lassen sich wieder viele Eigenschaften der untersuchten Struktur bestimmen, wie z.B. Polarität, dreidimensionale Symmetrie sowie Elektronendichte zwischen den Atomen.

MEED

Bei MEED beobachtet man das Multilagen-Oberflächenwachstum in Abhängigkeit von der Zeit mit Elektronenbeugung. Wachsen die Schichten Monolage für Monolage auf der Oberfläche (Frank-van der-Merve-Wachstum), dann ändert sich der Ordnungsgrad der Oberfläche periodisch. Bei vollständig abgeschlossenen Lagen ist die Fernordnung am größten, also auch die Intensität des Beugungsreflexes. Dadurch erhält man in bestimmten Intervallen mehr oder weniger Beugungsreflexe, die auf das Monolagenwachstum als Funktion der Zeit schließen lassen.

Video-LEED

Um die Dynamik von Strukturänderungen untersuchen zu können, kann man das LEED-Bild mit einer Kamera aufnehmen. Hierdurch können während der LEED-Messung die strukturbestimmenden Parameter variiert und so deren Einfluss ermittelt werden.

Siehe auch

• Oberflächenchemie

Weblinks

• Labor für Gas-Elektronen-Beugung (dort werden unter "Gas electron diffraction" Experiment und der Zugang zu einem Gerät beschrieben)
• Elektronenbeugung - Fernbedienbares Realexperiment (siehe dort unter "Labs")
• Dissertation, in der Video-LEED verwendet wird