Probencharakterisierung mittels

Beugung langsamer Elektronen (LEED)

 

Institut für Physik – AG Elektronische Eigenschaften und Supraleitung

Prof. Dr. R. Manzke (Anmeldung bei Dr. H. Dwelk, Tel. 2093 7733, Raum NEW15 2'610)

 

 

 

1. Thema:

Oberflächenstrukturanalyse und Gitterstrukturbestimmung von Schichtkristallen
(Übergangsmetalldichalkogenide) mittels Beugung langsamer Elektronen

 

 

2. Versuchsdauer:  2 Tage

 

 

3. Literatur:

1.      R. Herrmann, U. Preppernau
Elektronen im Kristall
Akademie-Verlag Berlin 1979
Seiten 71 – 107

2.      O.J. Klöber, H.A. Schneider „Beugung langsamer Elektronen (LEED)“
in: Festkörperanalyse mit Elektronen, Ionen und Röntgenstrahlen, Hrsg. v. O. Brümmer, J.
Heydenreich, K.H. Krebs, H.G. Schneider, VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften
Berlin 1980, Seiten 185 – 207

3.      G. Ertl, J. Küppers
Low Energy Electrons and Surface Chemistry, VCH, Weinheim 1985
Seiten 201 – 232

4.      H. Lüth
Surfaces and Interfaces of Solids
Springer Verlag 1993
Seiten 201 – 209

5.      M. Henzler, W. Göpel
Oberflächenphysik des Festkörpers
Teubner Studienbücher 1994
Seiten 41 – 67, 124 – 159

6.      M. Wutz, H. Adam, W. Walcher
Theorie und Praxis der Vakuumtechnik
Vieweg 1992,
Seiten 247ff (Turbomolekularpumpe), 301ff (Ionengetterpumpe),
440ff (Bayard-Alpert-Vakuummeter), 455ff (Quadrupol-Massenspektrometer)

7.      BALZERS
Partialdruckmessung in der Vakuumtechnik

 

 

4. Einführung in den Problemkreis

 

LEED (Low Energy Elektron Diffraction) wurde 1927 von C. Davisson und L. H. Germer (Phys. Rev 30, 705 (1927) entdeckt und lieferte eine erste Bestätigung für die von de Broglie (1924) aufgestellten Hypothese der Materiewellen. Ein weiterer Ausbau der LEED-Experi-mente war zu dieser Zeit nicht möglich, da die nötige Vakuumtechnik (UHV) nicht beherrscht wurde. Damit geriet die LEED-Technik in Vergessenheit und wurde erst 1960 von Farnsworth wiederentdeckt.

Heute ist die LEED-Technik eines der bekanntesten Standardverfahren in der Grenzflächenphysik. Es ermöglicht die Untersuchung von Oberflächen, Grenzflächen oder dünnen Schichten (Grenzschichten) an Einkristallen. Dazu werden die Interferenzfiguren ausgewertet, die man durch kohärente Reflexion (Beugung) langsamer Elektronen an oberflächennahen
Kristallstrukturen erhält. Dabei liegt die Wellenlänge λ (Elektronenenergie zwischen 5 – 500 eV) im Bereich der atomaren Dimensionen bzw. der Gitterkonstanten der Kristalle.

Damit die zu untersuchenden Oberflächen nicht durch undefinierte Adsorptionsschichten verfälscht werden, muss die Untersuchung im Ultrahochvakuum (UHV) durchgeführt werden.

Der Versuch soll die Möglichkeiten der Oberflächenstrukturanalyse durch die Bestimmung von Gitterparametern eines Schichtkristalls mittels LEED aufzeigen, wobei eine kommerzielle LEED-Apparatur zum Einsatz kommt. Darüber hinaus sollen anhand des Oberflächenpräparations- und -analysesystems am Lehrstuhl Grundkenntnisse der UHV-Technik vermittelt werden, wobei der Schwerpunkt auf dem Einsatz eines Quadrupol-Massenspektrometers zur Partialdruckanalyse liegt.

Die Oberflächenstrukturanalyse wird an einer Verbindung aus der Familie der Übergangsmetalldichalkogenide durchgeführt, die am Lehrstuhl mittels Gastransportverfahren hergestellt werden. Als Metalle finden die Elemente der Nebengruppen IV, V und VI Verwendung. Wegen ihrer schichtartigen Struktur werden diese Verbindungen auch als Schichtkristalle bezeichnet, wobei eine Schicht von einer Metall-Ebene gebildet wird, die auf beiden Seiten von jeweils einer Chalkogen-Ebene umgeben ist. Zwischen den Schichten herrschen nur relativ schwache van der Waals-Kräfte, weshalb eine Präparation durch Spalten i. allg. gut gelingt.

 

 

5. Experimentelle Hinweise

 

Die Proben werden auf einen speziellen Probenhalter (s. Platzanleitung) geklebt und mit einem Spalthebel versehen, der die Erzeugung einer Spaltfläche im UHV ermöglicht.

 

 

6. Verwendete Geräte

         UHV-Kammer mit Schleusenkammer und Transferstange

         Turbomolekularpumpstand

         Ionengetterpumpe

         Bayard-Alpert-Vakuummeter

         Quadrupol-Massenspektrometer TranspectorM der Firma Leybold

         LEED-System RVL/06 von FISONS Instruments

 

 

7.Aufgabenstellung

 

1.      Schätzen Sie ab, wie gut ihr Vakuum sein muss, damit an einer sauberen Oberfläche (Spaltfläche) mehrere Stunden gemessen werden kann.

 

2.      Kleben Sie ihren Kristall auf einen Probenhalter auf und versehen ihn mit einem Spalthebel. Bringen Sie den Probenhalter in die Schleusenkammer und evakuieren Sie diese.

 

 

 

3.      Bestimmen Sie mit Hilfe des Quadrupol-Massenspektrometers die Zusammensetzung des Vakuums in der Schleusenkammer. Führen Sie hierzu eine Partialdruckanalyse durch und berechnen Sie den Totaldruck. Zeichnen Sie während des Ausheizens der Apparatur den Verlauf der wesentlichen Partialdrücke auf und wiederholen Sie dann die Partialdruckanalyse.

 

4.      Transferieren Sie den Probenhalter in die LEED-Kammer und spalten Sie dort den Kristall.

 

5.      Berechnen Sie die reziproken Gittervektoren des hexagonalen Gitters und bestimmen Sie anhand des LEED-Bildes die Orientierung des Kristalls.

 

6.      Geben Sie einen Zusammenhang zwischen der Gitterkonstanten und der Elektronenenergie unter Berücksichtigung der Geometrie der LEED-Apparatur an und berechnen Sie anhand der beobachteten LEED-Bilder die Gitterkonstante des Kristalls.

 

7.      Die Intensitäten der LEED-Reflexe hängen von der Periodizität des Kristalls senkrecht zur Oberfläche ab. Geben Sie mit Hilfe der entsprechenden Laue-Gleichung an, bei welchen Energien für den (00)-Reflex maximale Intensität zu erwarten ist, wenn als c-Parameter der Literaturwert von TiTe2 mit 6.5x10-10 m angenommen wird.
Beobachten Sie die Energieabhängigkeit des (00)-Reflexes und bestimmen Sie daraus (unter Beachtung der berechneten Werte) den c-Parameter und das innere Potential des Kristalls.

 

 

8.      Versuchsablauf

 

Der Versuch wird durchgeführt an zwei UHV-Kammern, wobei die eine zum Einschleusen der Kristalle und die andere zur Oberflächenstrukturanalyse mittels LEED dient. Die auf den Trägern aufgebrachten Kristalle werden mittels magnetisch gekoppelter Transferstangen in dem UHV-System bewegt. In der Schleusenkammer soll nach dem Evakuieren eine Restgasanalyse durchgeführt werden. Die Kammer wird ausgeheizt und anschließend erfolgt erneut eine Restgasanalyse. Es wird eine Probe in den LEED-Manipulator transferiert, und aus dem LEED-Bild werden die Gitterparameter des Kristalls bestimmt.

 

Versuchsaufbau

 

Die Schleusenkammer ist mit einer Turbopumpe, einer Bayard/Alpert-Röhre und einem Quadrupol-Massenspektrometer ausgestattet. Für die Lagerung und den Transport von Proben im UHV-System enthält die Apparatur ein spezielles Probenhaltersystem, das aus Probenschubladen und Probenkeilen besteht. Diese Keile können in den Schubladen mittels magnetisch gelagerten Dreh/Schiebe-Durchführungen verschraubt werden sowie durch die UHV-Kammern transportiert werden.

ACHTUNG: Die Keile nur vorsichtig verschrauben! Den Schraubvorgang abbrechen sowie Widerstand auftritt, die Gewindegänge könnten sonst beschädigt werden. Zum Transfer der Proben immer auf Verriegelung durch den Aufnehmer achten.

 

 

 

 

Probenpräparation

Kristalle werden mittels eines zweikomponentigen Silberklebers, der bei Hitzeeinwirkung aushärtet, auf die Halter aufgebracht. Man vermische die Komponenten im Gewichtsverhältnis 1:1, verwende den Kleber aber sparsam.

HINWEIS: Man wiege etwa 0.05 g pro Komponente ab.

Der Kleber wird auf dem Probenstempel verstrichen, und der Kristall angedrückt. Der Kleber muss 30 Minuten bei 120° C im Ofen aushärten.

Nun wird der Spalthebel, ein Stück Aluminiumblech, auf den Kristall geklebt, nachdem dessen Oberfläche mit Silberkleber eingestrichen wurde. Den Kleber wieder 30 Minuten bei

120° C aushärten lassen.

Der Spalthebel wird mittels eines feinen Drahtes an dem Probenhalter festgebunden.

 

Restgasanalyse

 

30 Minuten nach dem Start der Turbo-Pumpe schalte man die Bayard/Alpert-Röhre ein und messe den Druck.

ACHTUNG: Erst wenn der Totaldruck 10-5 Torr erreicht hat, darf das Massenspektrometer eingeschaltet werden!

Man starte die Steuersoftware für das Massenspektrometer durch Eingabe von SQX im Verzeichnis C: \MSPEC\SQX und schalte die Ionenquelle des Quadrupols ein, indem man mit der Maus auf [Emission] klicke. Das Massenspektrum wird im sog. Bar Mode angezeigt.

Um eine geeignete Darstellung zu erhalten klicke man zunächst auf die Felder [CONTROL] und [PARAMETERS].

Mittels [GAIN>] und [GAIN<] kann die Ordinate dem gemessenen Strom angepasst , mittels [C.MASS] das Zentrum und mittels [WIDTH] die Breite der Darstellung festgelegt werden. Durch [SCAN>] und [SCAN<] kann die Geschwindigkeit der Messwertaufnahme geregelt werden.

Man führe eine quantitative Restgasanalyse durch, wie unter 4.3 der Anleitung zum Massenspektrometer beschrieben. Man berechne  dabei die Partialdrücke, gebe den Gesamtdruck an und vergleiche mit der Anzeige der  Bayard/Alpert-Röhre. Man sichere das Massenspektrum auf der Festplatte durch Auswahl von [CONTROL] und [STORE].

 

Ausheizen

 

Zur Erzeugung von Ultrahochvakuum müssen die Kammern oberhalb von 100° C mehrere Stunden ausgeheizt werden, um das Wasser das zunächst den Enddruck bestimmt von den Wänden zu desorbieren.

Zum Ausheizen versehe man die Schleusenkammer und die Transferstange mit je einem Heizband und umwickele sie mit Aluminiumfolie.

ACHTUNG: Heizbänder dürfen sich nicht kreuzen!

Der Ausheizvorgang wird von einem Computer gesteuert. Dazu werden Temperatursensoren sowohl an der Kammer als auch an der Transferstange angebracht. Als Ausheiztemperatur werden 115° C für die Kammer und 105° C für die Transferstange gewählt. Die Heizleistung wird über einen Zeitraum von 2 Stunden automatisch gesteigert. Einzelne UHV-Komponenten, z. B. Fenster oder Stromdurchführungen sollen nicht zu großen Temperaturschwankungen ausgesetzt werden. Aus Faustregel gilt 50° C pro Stunde. Die Heizbänder selbst erreichen eine Temperatur von 400° C.

Während des Ausheizvorganges soll die Entwicklung des Druckes mit dem Massenspektrometer beobachtet werden. Dazu wähle man [CONTROL], [MODE], [TABLE].

Durch [LEFT], [RIGHT], [UP], [DOWN] wird der Cursor im Textfeld bewegt, durch
[SELECT] kann ein Parameter gewählt werden. Man wähle die interessierenden Massen und stelle Range auf Autorange.

Durch [DSPLAY], [TREND] wird der Verlauf zeitabhängig angezeigt. Durch [TIME] wähle man eine Dauer von 24 Stunden. Man wähle [FILE] und [DISK], um das Spektrum am Ende auf Festplatte zu sichern.

 

LEED-Analyse

 

Man bringe die Probe in den LEED-Manipulator. Die Präparation der sauberen Oberfläche geschieht durch Abschlagen des Spalthebels unter Benutzung der Transferstange. Dazu ziele man mit einer Spitze auf den Hebel und bringe sie etwa in einen Abstand von 3 mm. Durch eine ruckartige Bewegung der Stange wird die Probe nun gespalten. Man finde ein LEED-Bild der Probe und bestimme die Gitterparameter.

ACHTUNG: Im LEED-Manipulator darf die Probe nur im Uhrzeigersinn um maximal 180° aus der Transferposition herausgedreht werden, um ein Abreißen von Kabeln zu vermeiden!

Für die Bestimmung des c-Parameters benutze man das Madelung-Verfahren. Hierbei erhält man eine Kurvenschar, indem man die Spannungswerte, bei denen LEED-Bilder beobachtet wurden, willkürlich einer folge von natürlichen Zahlen n zuordnet und dann entsprechend dem funktionalen Zusammenhang (Linearität) gegen n2 aufträgt. Man bestimme die optionale Gerade. Aus der Steigung und dem zugehörigen Ordinatenabschnitt bestimme man den
c-Parameter und das innere Potential.