4.5 Ionenstreuung. Verschiedene Energiebereiche sind zu unterscheiden: Chemische Information:

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1 4.5 Ionenstreuung Ionen (H, He, Ne, Ar ) defininierter Energie fallen auf Oberfläche ein und werden nach Rückstreuung bzgl. Richtung und Energie analysiert. ( Realraummethode, empfindlich auf Chemie u. Struktur). Verschiedene Energiebereiche sind zu unterscheiden: High-Energy Ion Scattering (HEIS): H o. He, 200 kev - 2 MeV [auch: Rutherford Backscattering spectrometry RBS) )] Medium-Energy Ion Scattering (MEIS): H, kev } Dominiert durch Coulomb-Streuung. ( Rutherford-Str. ) Kaum Neutralisierungseffekte. Low-Energy Ion Scattering (LEIS): He, Ne, kev (auch: Li, Na, K ) [auch: Ion-Scattering Spectroscopy (ISS)] } Abschirmeffekte auf Coulombpotential. Mehrfachstreuungen. Neutralisierungsprozesse Ion Neutralisation Spectroscopy (INS) Chemische Information: In jedem Fall ist die Primärenergie E0groß gegen die Bindungsenergie des Oberflächenatoms, d.h. man kann den (elastischen) Stoß zwischen freien Teilchen betrachten. Da die Energie der Gitterschwingungen ( Ekin = 3/2 kt) ebenfalls klein gegen E0 ist, kann man das Targetatom als ruhend ansehen und zwar in seiner Potentialmulde, da die Wechselwirkungszeit kurz gegen die Schwingungsdauer ist. Bei bekanntem E und M reslutiert M (Zeichen für M <M, beide Vorzeichen für M >M )

2 zwei Lösungen fürm/m<1 2 1 Ne (3 kev) auf Oberfläche Pt25Rh75-Legierung Strukturinformation: Hinter dem Streuer ensteht ein Schattenkegel Durch Variation des Einfallswinkels werden abhängig von der Geometrie neue Streuer "sichtbar/unsichtbar", sodass auf die Struktur zurückgeschlossen werden kann.

3 Low-Energy Ion Scattering (LEIS) / Ion Scattering Spectroscopy (ISS) relativ niedrige Ionenenergie ( kev) => relativ weiter Schattenkegel => relativ geringes Eindringvermögen => hohe Oberfl.sensitivität Am Rand des Kegels ist die Ionenstrahlintensität erhöht ("focussing"), sodass es bei Variation des Einfallswinkels ein starkes Signal gibt, wenn ein Atom aus dem Schattenkegel tritt. krit. Einfallswinkel, damit überhaupt gestreut wird! => ATOMABSTAND BESTIMMBAR! ABER: Bei den (relativ) niedrigen Energien von LEIS kann es zu Mehrfachstreuungen kommen! =>i. A. komplizierte Winkelabhängigkeit Cu(110) 1.Lage 2.Lage Polarwinkel m => man muss Spektren unter Berücksichtigung der Mehrfachstreuung quantitativ (Streupotential!) berechnen außerdem: Mit der relativ geringen Ionenenergie ist die Neutralisationswahrcheinlichkeit erhöht, insbesondere auch durch die hohe Oberflächenempfindlichkeit (kann zur Untersuchung elektronischer Eigenschaften ausgenutzt werden: INS = Ion Neutralisation Spectrscopy) <= stark reduzierte Ionenausbeute ("yield") bei Wasserstoffbdeckung einer Pd-Oberfläche

4 High-Energy Ion Scattering (HEIS) Rutherford Back Scattering (RBS) Streuquerschnitt stark elementabhängig (~ Z 2 ) Große Ionenenergie (200 kev - 2 MeV) => Schmale Schattenkegel, geringe Neutralisation, geringe Mehrfachstreuung => hohe Eindringtiefe, aber Ionen verlieren durch elektron. Verluste kontinuierlich an Energie => keine scharfen Verlustpeaks mehr, Auftreten von Peaks ist element- und tiefenspezifisch 2.2 MeV He Spektren zweier TaSi-Fime verschied. Dicke und Ta/Si-Zusammensetzung auf Si-Substrat. Der Hochenergiepeak resultiert in beide Fällen von Ta, der niedrigere vom Si im TaSi-Film, gefolgt von Si im Substrat (Si-Peak ist wegen kleinem Streuquerschnitt um Faktor 5 erhöht). Die Breiten der Peaks spiegeln die Filmdicke wider! HEIS-Spektrum (250 kev He ) einer Folge von Schichten aus jeweils 10 Å Gold und 100 Å Aluminium

5 trotz sehr engem Schattenkegel lässt sich dieser ausnutzen: bei Ausrichtung entlang einer Atomreihe ist nur deren oberstes Atom "sichtbar". Bei Oberflächenrelaxation ist die Streuausbeute erhöht, und damit durch Variation des Einfallswinkels bestimmbar. auch: Vibrationsamplitude senkrecht zur Einfallsrichtung ist bestimmbar! Oberflächenpeak bei senkrechtem Einfall klar aufgelöst! Bei willkürlicher ("random") Einfallsrichtung werden viel mehr Atome "gesehen", die Ausbeute ist vergleichsweise hoch. ACHTUNG: Bei Ionenbeschuss können auch Atome bzw. ganze Atomgruppen aus der Probe ausgelöst werden ("sputtering"). Sie sind z.t. ionisiert und können so leicht nachgewiesen werden (Information auch über Art der Verbindung): Secondary Ion Mass Spectroscopy (SIMS) Destruktive Methode (Abtrag von Materie): "Dynamical SIMS" Bei kleiner Abtragrate (kleiner Primärstrom): "Static SIMS"