Hologramme mit Elektronenstrahlen

News: Hologramme mit Elektronenstrahlen

Was mit Licht funktioniert, geht auch mit Materiestrahlen. Gerade in den letzten Wochen häufen sich Meldungen, in denen Physiker die klassische Rollenverteilung von Welle und Teilchen auf den Kopf gestellt haben. Eine deutsche Arbeitsgruppe hat nun ein Verfahren entwickelt, Hologramme von Oberflächenstrukturen zu erstellen, indem sie Elektronenstrahlen anstelle des üblichen Laserlichtes auf das Objekt fallen läßt.

Auf direktem Weg gelangt eine Arbeitsgruppe um Klaus Heinz am Lehrstuhl für Festkörperphysik der Universität Erlangen-Nürnberg zum dreidimensionalen Ortsraumbild der atomaren Struktur einer Oberfläche: über ein holographisches Verfahren, das ähnlich wie die optische Holographie funktioniert, aber anstelle von Laserlicht einen Elektronenstrahl einsetzt. Voraussetzung ist, daß aus der Oberfläche einzelne Atome herausragen, an denen der Strahl in zwei Teile gespalten wird. Das Verfahren erweist sich als Schlüssel zur Analyse von Oberflächen, deren Struktur so komplex ist, daß sie mit Standardverfahren nur sehr schwer oder gar nicht zugänglich ist.

Standardmethoden zur Bestimmung atomarer Oberflächenstrukturen mittels Elektronen als Untersuchungssonde beruhen auf den Welleneigenschaften dieser Teilchen. Bei niedrigen Geschwindigkeiten – oder, was dasselbe besagt, geringen Energien – wird die Elektronenwelle von den periodisch angeordneten Atomen einer Oberfläche zurückgebeugt. Die Intensitäten des bei dieser Beugung langsamer Elektronen (Low Energy Electron Diffraction, LEED) entstehenden Interferenzmusters können vermessen und daraus die Oberflächenstruktur bestimmt werden. Dazu ist jedoch eine aufwendige Analyse des experimentellen Datenmaterials notwendig: Für mögliche Oberflächenmodelle müssen die Intensitäten berechnet und unter Variation der Strukturparameter an die Meßdaten angeglichen werden – eine Methode, die durch die Mehrfachstreuung der Elektronen stark kompliziert wird. Das Verfahren versagt, wenn die Phantasie zum Auffinden des richtigen Modelltyps nicht ausreicht.

Einen Ausweg verspricht die holographische Interpretation von LEED-Intensitäten. Ähnlich der holographischen Methodik mit Licht wird der einfallende Elektronenstrahl durch ein von der Oberfläche hervorstehendes Adsorbatatom in einen Referenz- und einen Objektstrahl aufgespalten. Ersterer besteht aus den vom Atom direkt zurückgestreuten Elektronen, die vorwärtsgestreuten und dann von der Substratoberfläche zurückgebeugten Elektronen bilden den Objektstrahl. Beide Strahlen interferieren auf einem kleinen Bildschirm und bilden so das Hologramm. Dieses enthält die Information über die räumliche Anordnung der Substratatome um das Adsorbatatom, also über die Struktur der Oberfläche.

Die Beugungsintensitäten auf dem Bildschirm werden als Funktion von Beugungswinkel und Energie der Elektronen gemessen. Per Computer läßt sich aus den Meßwerten ein räumliches Bild konstruieren, wie es etwa beim Blick durch ein Mikroskop mit atomarer Auflösung zu sehen wäre. Die Atome erscheinen dabei überraschend klar und scharf getrennt. Sie haben annähernd Kugelform, mit einem Durchmesser von 0,1 bis 0,2 nm (ein Nanometer entspricht dem millionsten Teil eines Millimeters) und ähneln stark atomaren Kugelmodellen. Die rekonstruierten Atompositionen sind bis auf etwa 0,05 nm genau. Noch präzisere Werte können durch eine nachgeschaltete konventionelle Intensitätsanalyse ermittelt werden, die dann schon auf den holographisch gewonnenen, konkreten Modellvorstellungen aufbauen und auch weiter vom Adsorbatatom entfernte Atome auffinden kann.

Siehe auch

Spektrum Ticker vom 20.7.1999
"Photonenzählen für Fortgeschrittene"
(nur für Ticker-Abonnenten zugänglich)
Spektrum Ticker vom 16.7.1999
"Wie Du mir, so ich Dir"
(nur für Ticker-Abonnenten zugänglich)