Techniklexikon

Elektronenbeugung

OptikOberflächen- und Grenzflächenphysik, Beugungserscheinungen von Elektronen bei elastischer Streuung an kristallinen Materialien, an denen die Welleneigenschaften des Elektrons offenbar werden. Die Wellenlänge der Elektronen ist gegeben über die Beziehung l = h / p, oder in nichtrelativistischer Näherung durch  (l in Å, Beschleunigungsspannung U in V). Sie beträgt 0,4 nm bei 10 eV bzw. 3,7 pm bei 100 keV, liegt also in der Grössenordnung der interatomaren Abstände in Festkörpern oder darunter. Die Lage der Beugungsmaxima kann, wie in der Röntgenbeugung, anhand der Laue-Gleichungen oder mit Hilfe der Ewald-Konstruktion bestimmt werden. Für hochenergetische Elektronen ist der Radius der Ewald-Kugel (r ~ 1 / l) gross im Vergleich zu den reziproken Gittervektoren eines Kristalls, so dass Beugungsmaxima bereits bei Winkeln um 10^-1 rad auftreten. Für die Beugung nieder- und mittelenergetischer Elektronen werden, aufgrund ihrer geringen Eindringtiefe (inelastische mittlere freie Weglänge), die Gitterpunkte der Ewald-Kugel durch Gitterstäbe ersetzt (die Periodizität senkrecht zur Oberfläche entfällt, die reziproken Gitterpunkte liegen unendlich dicht zusammen). Die starke Wechselwirkung von Elektronen mit Materie ist auch der Grund dafür, dass, anders als bei der Röntgenbeugung, die kinematische Theorie zur Bestimmung der Streuintensität nicht ohne weiteres angewendet werden kann. Statt dessen ist im Rahmen einer dynamischen Streutheorie Vielfachstreuung zu berücksichtigen. Erstmals beobachtet wurde die Elektronenbeugung 1927 von C.J. Davisson und L.H. Germer bei der Streuung langsamer Elektronen an Ni-Kristallen und von G.P. Thomson mit mittelschnellen Elektronen (50 keV) an mikrokristallinen Folien (Debye-Scherrer-Verfahren). Ihre Experimente galten als Bestätigung der von L. de Broglie postulierten Materiewellen. Grosse Verbreitung fanden die Beugungsmethoden allerdings erst in den 60er Jahren im Zusammenhang mit der Entwicklung der Ultrahochvakuum-Technik und den verbesserten Möglichkeiten zur Präparation einkristalliner Oberflächen.

Die Elektronenbeugung ist Grundlage verschiedener Methoden zur Untersuchung von Festkörpern und Gasen. Dabei unterscheidet man zwischen der Beugung nieder-, mittel-, und hochenergetischer Elektronen. Elektronen mit Energien zwischen 10 und 1000 eV werden in der niederenergetischen Elektronenbeugung (low energy electron diffraction oder LEED) verwendet. Diese Untersuchungsmethode wird aufgrund der extrem geringen freien Weglänge der Elektronen zur Analyse der Oberflächenstruktur eingesetzt. Man beobachtet Beugungsbilder in Rückstreugeometrie. Durch Auswertung der Laue-Bedingungen wird die Existenz von Oberflächenrekonstruktionen nachgewiesen. Eine Analyse der Spotprofile dient der Untersuchung von Oberflächendefekten, mittels der dynamischen Theorie kann aus der Energieabhängigkeit der Spotintensitäten die Struktur der Elementarzelle bestimmt werden. Elektronen mit Energien von etwa 5 bis 50 keV werden in der »Reflection high energy electron diffraction« (RHEED) eingesetzt. Hier entsteht die hohe Oberflächenempfindlichkeit durch streifenden Einfall der Elektronen, das Beugungsbild wird in Reflexion beobachtet. Eines der wichtigsten Anwendungsgebiete von RHEED ist die Wachstumskontrolle in der Molekularstrahlepitaxie. Dort kann z.B. anhand sog. RHEED-Oszillationen das lagenweise Aufwachsen der Schicht beobachtet und gesteuert werden. Methoden mit noch höheren Elektronenenergien, 20 keV-1 MeV, werden im Durchstrahlungsmodus (THEED, transmission high energy electron diffraction) und oft in Verbindung mit elektronenmikroskopischen Methoden (Transmissionselektronenmikroskopie, TEM) durchgeführt. In diesem Fall müssen dünne Filme mit Dicken von ca. 1-100 nm präpariert werden. [MG2, URE]

Elektronenbeugung: a) Elektronenmikroskopische Aufnahme und b) elektronenoptische Beugungsfigur (Elektronenenergie 100 keV) einer 80 nm dicken Zinn-Schicht.