Skalierungseigenschaften der Neutralisation in LEIS

Niederenergie-Ionenstreuung (Low Energy Ion Scattering, LEIS) ist eine vielfach verwendete Messmethode der Oberflächenanalytik zur Charakterisierung von Probenoberflächen in Bezug auf Struktur und Zusammensetzung. Die Information über die Elementkonzentration der Oberfläche erhält man aus dem Energiespektrum der gestreuten Ionen. Als Projektile verwendet man Edelgasionen (z.B. He+ ) einer Energie von einigen keV, mit denen man die Probe unter einem großen Winkel relativ zur Oberfläche beschießt. Werden nur die gestreuten Ionen analysiert, ist LEIS sensitiv nur für die äußerste Atomlage. Um die Oberflächenzusammensetzung einer Probe quantitativ bestimmen zu können, muss man den Streuquerschnitt und die Ionenausbeute für die betreffenden Atome kennen. Die Ionenausbeuten sind aber noch nicht hinreichend gut bekannt. Daher ist das wesentliche Ziel dieses Projektvorschlags, ein besseres qualitatives Verständnis der relevanten Neutralisationsprozesse zu erreichen, um eine gute Basis für die Anwendung von LEIS in der Oberflächenanalytik zu erhalten. Um dieses Ziel zu erreichen, werden LEIS Messungen durchgeführt, mit 3 He and 4 He Isotopen als Projektilen und ausgewählten Materialiens mit möglichst unterschiedlichen Neutralisations-eigenschaften (Cr, Fe, Ni, Zn, AL, und NiAl als Legierung) als Probe. Wo es möglich ist, sollen Einkristalle verwendet werden, um Unsicherheiten in den Ionenausbeuten infolge schlecht definierter Polykristalle zu minimieren.

Niederenergie-Ionenstreuung (Low Energy Ion Scattering LEIS) eine Standardmethode für die quantitative Analyse der atomaren Zusammensetzung und der Struktur polykristalliner und einkristalliner Oberflächen. Die Analyse der Zusammensetzung erfordert die Messung der Intensität gestreuter Edelgasionen im Bereich 1 bis 10 keV. Muss man die Wahrschein-lichkeit für Elektronenaustausch zwischen Projektil und Oberfläche kennen, da diese Pro-zesse einen starken Einfluss auf die Intensität der gestreuten Ionen besitzen. Es ist eine bekannte aber noch unverstandene Tatsache, dass i.A. die Ausbeute an gestreuten Ionen - für eine gegebene Projektilart - nur eine atomare Eigenschaft des Streuzentrums ist und nicht von der Anwesenheit anderer Atomarten in der Oberfläche abhängt. Das bedeutet, dass es i. A. keine Matrixeffekte gibt, welche die quantitative Analyse erschweren würden. Das Projekt SPIN-LEIS hatte zum Ziel, die Gesetzmäßigkeiten der gemessenen Ioneninten-sitäten in LEIS besser zu verstehen. Dabei konzentrierten wir uns auf die Ionenausbeute und das Streupotential, das die Streuwahrscheinlichkeit bestimmt. Im ersten Schritt verglichen wir die Ausbeuten an positiven He Ionen, die von einer Cu(100) bzw. einer polykristallinen Cu Oberfläche rückgestreut wurden. Dabei fanden wir starke Kristalleffekte sowohl bei niedrigen Energien, wo nur nicht-lokaler Elektronenaustausch über Tunnelprozesse möglich sind, als auch bei höheren Energien, wo der Elektronentransfer im nahen Stoß geschieht. Den Kristalleffekt bei niedrigen Energien kann man als Folge der unterschiedlichen Ausdehnung der Leitungselektronen vor der Oberfläche für die verschienen Kristall-orientierungen verstehen. Die Ergebnisse bei hohen Energien beruhen auf der Tatsache, dass hier auch Ionen beitragen, die von Volumsatomen rückgestreut werden und beim Verlassen der Probe in einem Stoß mit einem Oberflächenatom reionisiert werden. In einem zweiten Schritt untersuchten wir für Einkristalle die Abhängigkeit der gestreuten Intensität von der Streugeometrie: in Polarscans wird der Einfallswinkel variiert, in Azimuthscans wird die Probe um die Oberflächennormale rotiert. In diesen Winkelscans wird die Intensität gestreuter Neutralteilchen und Ionen untersucht. Aus diesen Messungen konnten wir - durch Vergleich mit Computersimulationen - lernen, wie viele Atomlagen zu den Streuintensitäten von Ionen und Neutralen beitragen. Wir fanden, dass dies stark davon abhängt, wie man "Streuintensität" definiert, d. h., wie groß man das Energiefenster wählt: in einem breiten Energiefenster tragen mehr als 20 Atomlagen zur Intensität bei; nur für ein schmales Energiefenster und nach Subtraktion des Vielfachstreu-Untergrundes erhält man eine Informationstiefe von 1 oder 2 Atomlagen. Schließlich konnten wir durch Computersimulationen zeigen, dass für polykristallines Kupfer die Form des Energiespektrums der gestreuten Projektile empfindlich vom Streupotential und vom elektronischen Energieverlust entlang des Weges abhängt.