Beugung an Oberflächen

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1 Beugung an Oberflächen Low energy electron diffraction Geometrische Theorie / Ewald-Konstruktion Position der Beugungsmaxima, Bestimmung der Einheitszelle Kinematische Theorie Beugungsprofile / Halbwertsbreite, Ordnung - Unordnung Dynamische Theorie atomare Positionen innerhalb der Einheitszelle Heliumatom-Streuung Helium atom scattering HAS Thermal energy atom scattering TEAS

2 Wellenlänge als Funktion der Energie 10 X-rays Wavelength / Å 1 Neutrons Electrons He atoms 0, Photon energy / kev Neutron energy / 0.01 ev He atom energy / 0.01 ev Electron energy / 100 ev

3 Henzler, Göpel nach: Seah and Dench, Surface and Interface Analysis 1, p.2 (1979) Mittlere freie Weglänge von Elektronen Universal curve

4 Low Energy Electron Diffraction

5 Nobelpreis 1937 "for their experimental discovery of the diffraction of electrons by crystals" Clinton Joseph Davisson George Paget Thomson

6 Low Energy Electron Diffraction Elektronenoptische Linse (Fokussierung) Betrachter, CCD-Kamera eu=kinetische Energie der Primärelektronen (20-500eV) Wehnelt-Zylinder (Fokussierung) negatives Potenzial, inelastisch gestreute Elektronen werden ausgeblendet (Kontrast) Ertl, Küppers: Low energy electrons and surface chemistry

7 Geometrische Theorie Laue-Gleichungen

8 Geometrische Theorie Laue-Gleichungen

9 Geometrische Theorie Ewald-Konstruktion K f Ewald sphere K i G K i -K f = ± ng k i k f E i = E f (1,0) (0,0) (1,0) G...Reziproker Gittervektor Die Ewald-Konstruktion ist die graphische Lösung der Energie- und Impulserhaltung.

10 Kinematische Theorie

11 Kinematische Theorie

12 Kinematische Theorie

13 Kinematische Theorie

14 Dynamische Theorie Mehrfachstreuung Streupotenzial Austrittsarbeit inelastische Prozesse (Dämpfung), Plasmonen Temperatur

15 Beispiel 1 Eisen / Wolfram (110) U. Gradmann und G. Waller, Surf. Sci. 116, 539 (1982)

16 Beispiel 2 Eiseninseln / Wolfram (110) Tempern eines geschlossenen Eisen-Films auf Wolfram führt zur Ausbildung von Inseln mit der Volumen-Gitterkonstanten des Eisens. a Fe =2.87Å, a W =3.16Å W Fe V. Senz et al., New Journal of Physics 5, 47 (2003)

17 Heliumatom-Streuung I. Estermann, O. Stern, Z. Physik 61, 95 (1930)

18 Immanuel Estermann Otto Stern American Institute of Physics:

19 Nobelpreis 1943 "for his contribution to the development of the molecular ray method and his discovery of the magnetic moment of the proton Otto Stern

20 Heliumatom-Streuung He-Atom-Strahl: v/v~1%, E/E~2% Einfallsenergie: 10-60meV elastische und inelastische (time-offlight) Messungen möglich

21 Heliumatom-Oberflächen-Potenzial He-Atome wechselwirken mit einer Ladungsdichte von e/å 3, 3-4 Å vor der Oberfläche, d.h. sehr oberflächensensitiv Pauli-Abstoßung A B van-der-waals-anziehung Potentialtiefe: D= 5-15meV J. P. Toennies, Appl. Phys. 3, 91 (1974)

22 Heliumatom-Streuung 2D Analogon zur Neutronenstreuung geringe kinetische Energie im Vergleich zur Potenzialtiefe attraktiver Anteil des Potenzials hoher WW-Querschnitt von etwa 100 Å 2 für Defekte / Adsorbatatome repulsiver Anteil des Potenzials He-Atome dringen nicht in die Oberfläche ein... streuen nicht mehrfach... zerstören nicht die Oberfläche

23 Spekulare Intensität als Funktion der Schichtdicke Vollständig abgeschlossene Monolagen entsprechen einer hohen spekularen (d.h. spiegelnden) Intensität

24 B. Flach, Dissertation, Universität Göttingen 2000 Beispiel 1 Lagenweises Wachstum Li / W Lagenweises Wachstum: Frank - van der Merwe - Wachstum

25 A. Glebov, G. Gensterblum, V. Senz, J.P. Toennies, J. Chem. Phys. 105, 1697 (1997) Beispiel 2 Adsorption von H2O auf MgO (001) Spekulare Intensität als Funktion der Temperatur zeigt strukturellen Phasenübergang

26 Beispiel 3 GeS (001) vor und nach dem Tempern Intensität / 10 5 cps Paraller Impulsübertrag k / A -1 Höheres Signal-zu-Rausch-Verhältnis zeigt verbesserte Qualität der Oberfläche nach dem Tempern

27 Beispiel 4 C 60 / GeS (001) Intensität / 10 5 cps A. Glebov, G. Gensterblum, V. Senz, J.P. Toennies, J. Appl. Phys. 82, 5 (1997) Paraller Impulsübertrag k / A -1 Beugung bei verschiedenen Temperaturen zeigt strukturellen Phasenübergang