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Rutherford Backscattering Spectrometry RBS deutsch Rutherford Rückstreu Spektrometrie ist eine Methode zur Untersuchung

Rutherford Backscattering Spectrometry

Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS), deutsch Rutherford-Rückstreu-Spektrometrie, ist eine Methode zur Untersuchung von oberflächennahen dünnen Schichten mit Hilfe von Ionenstrahlen. Sie ist daher eng verwandt mit anderen Methoden der Ionenstreuspektroskopie, wie der niederenergetischen und der mittelenergetischen Ionenstreuspektroskopie (LEIS und MEIS).

Das Verfahren ist nach Ernest Rutherford benannt, der als Erster die im sogenannten Goldfolien-Versuch beobachtete Rückstreuung von Alpha-Teilchen erklären konnte und daraus sein Atommodell entwickelte.

Funktionsweise Bearbeiten

Für eine Messung schießt man hochenergetische Ionen (0,1 bis 4 MeV) niedriger Masse (Wasserstoff oder Helium) auf eine Probe. Ein Detektor misst die Energie der rückgestreuten Ionen. Deren Energie hängt vom ursprünglichen Energiebetrag, von der Masse des jeweils getroffenen Probenatoms und vom Winkel, unter dem detektiert wird, ab. Das Verhältnis der Energie der rückgestreuten Ionen () zum einfallenden Ionenstrahl () wird als k-Faktor bezeichnet. Der k-Faktor ist abhängig vom Rückstreuwinkel () und vom Verhältnis der Projektilmasse () zur Probeatommasse (). Allgemein ergibt sich aus Impuls- und Energieerhalt für den k-Faktor:

RBS-Spektrum mit Schichtaufbau

Typischerweise wird der Detektor unter einem Winkel nahe 180° aufgestellt, da hier der Energieverlust bei der Streuung maximal wird und somit die Massenauflösung höher ist.

Weiterhin verlieren die Ionen auf ihrem Weg durch die Probe kontinuierlich Energie. Die Energie des detektierten Teilchens nach einer Streuung ergibt sich folglich zu:

Hierbei entspricht der Term in der eckigen Klammer der Einschussenergie minus den Energieverlust bis zum Erreichen der Tiefe in der gestreut wird, multipliziert mit dem k-Faktor ergibt sich die Energie nach der Streuung. Von dieser wird anschließend der Energieverlust während des Verlassens der Probe abgezogen. Dabei sind und die Abstände zur Oberfläche, welche von der konkreten Versuchsanordnung abhängen. Das sogenannte Bremsvermögen ergibt sich aus der Bethe-Formel und hängt von der Energie des Teilchens und der Probenzusammensetzung ab.

Aufgrund dieser Tiefenabhängigkeit der Energie der rückgestreuten Teilchen ist die Messung der Zusammensetzung mittels RBS auch tiefenaufgelöst. Abhängig von den Versuchsparametern können Tiefen von einigen hundert Nanometern bis hin zu wenigen Mikrometern untersucht werden. Diese große Eindringtiefe ist deshalb möglich, weil der Streuquerschnitt für hochenergetische Ionen (einige MeV) sehr viel kleiner ist als bei der niederenergetischen Ionenspektroskopie (z. B. LEIS, Energien bis 10 KeV, nur für Oberflächenanalyse geeignet) und das Bremsvermögen typischerweise bei mehreren 100 eV/nm angesiedelt ist (für Beschuss mit He Ionen). Entsprechend ist die analysierbare Tiefe vor allem von abhängig. Je höher desto höher die analysierbare Tiefe, desto geringer allerdings auch die Tiefenauflösung. Für höhere Tiefen sinkt die Tiefenauflösung außerdem auch noch durch das sogenannte Straggling (Verbreiterung der Energieverteilung des Ionenstrahls beim Durchlaufen der Probe), welches durch die statistische Natur des Energieverlusts beim Durchlaufen der Probe entsteht.

Für nicht zu hohe Energien entspricht das Streupotential (nahezu) dem Coulomb-Potential und somit ist die Wahrscheinlichkeit für eine Rückstreuung (Streuquerschnitt) bekannt und durch den Rutherfordstreuquerschnitt gegeben. Für höhere Energien kann es zu Abweichungen vom Rutherfordstreuquerschnitt kommen.

Die Zusammensetzung einer binären Legierung kann iterativ aus folgender Formel ermittelt werden (setze dazu und berechne einen Startwert für . Dann über die Bragg'sche Regel korrekte Werte der ermitteln und erneut berechnen.) :

mit als gemessener Rückstreuausbeute des jeweiligen Elements und als dem differentieller Wirkungsquerschnitt, der Stopping Power Cross-Section (Abbremsquerschnitt). Werte der Stopping Power können mit der Software SRIM ermittelt werden. Für eine Näherung der Formel benutze man in geeigneter Weise gemittelte Abbremsquerschnitte; die gänzliche Vernachlässigung der Abbremsquerschnitte führt in den meisten Fällen zu großen Fehlern.

Die Formel ergibt sich aus der Ausbeutegleichung: , mit Anzahl der Projektile und dem Raumwinkel des Detektors.

Siehe auch Bearbeiten

Literatur Bearbeiten

  • Joseph R. Tesmer, Michael Anthony Nastasi: Handbook of Modern Ion Beam Materials Analysis. Materials Research Society, Pittsburgh, PA 1995, ISBN 1-55899-254-5.
  • Leonard C. Feldman, James W. Mayer: Fundamentals of Surface and Thin Film Analysis. Prentice Hall, 1986, ISBN 0-13-500570-1.
  • G. Götz, K. Gärtner: High Energy Ion Beam Analysis of Solids. Akademie Verlag Berlin, 1988.
  • A. G. Fitzgerald: Quantitative microbeam analysis. SUSSP Publ., 1993, ISBN 0-7503-0256-9.
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Rutherford Backscattering Spectrometry RBS deutsch Rutherford Ruckstreu Spektrometrie ist eine Methode zur Untersuchung von oberflachennahen dunnen Schichten mit Hilfe von Ionenstrahlen Sie ist daher eng verwandt mit anderen Methoden der Ionenstreuspektroskopie wie der niederenergetischen und der mittelenergetischen Ionenstreuspektroskopie LEIS und MEIS Das Verfahren ist nach Ernest Rutherford benannt der als Erster die im sogenannten Goldfolien Versuch beobachtete Ruckstreuung von Alpha Teilchen erklaren konnte und daraus sein Atommodell entwickelte Funktionsweise BearbeitenFur eine Messung schiesst man hochenergetische Ionen 0 1 bis 4 MeV niedriger Masse Wasserstoff oder Helium auf eine Probe Ein Detektor misst die Energie der ruckgestreuten Ionen Deren Energie hangt vom ursprunglichen Energiebetrag von der Masse des jeweils getroffenen Probenatoms und vom Winkel unter dem detektiert wird ab Das Verhaltnis der Energie der ruckgestreuten Ionen E R displaystyle E mathrm R nbsp zum einfallenden Ionenstrahl E 0 displaystyle E 0 nbsp wird als k Faktor bezeichnet Der k Faktor ist abhangig vom Ruckstreuwinkel 8 displaystyle Theta nbsp und vom Verhaltnis der Projektilmasse m 1 displaystyle m 1 nbsp zur Probeatommasse m 2 displaystyle m 2 nbsp Allgemein ergibt sich aus Impuls und Energieerhalt fur den k Faktor nbsp RBS Spektrum mit Schichtaufbauk cos 8 m 2 m 1 2 sin 2 8 1 m 2 m 1 2 displaystyle k left frac cos Theta sqrt frac m 2 m 1 2 sin 2 Theta 1 frac m 2 m 1 right 2 nbsp Typischerweise wird der Detektor unter einem Winkel nahe 180 aufgestellt da hier der Energieverlust bei der Streuung maximal wird und somit die Massenauflosung hoher ist Weiterhin verlieren die Ionen auf ihrem Weg durch die Probe kontinuierlich Energie Die Energie des detektierten Teilchens nach einer Streuung ergibt sich folglich zu E 2 z k E 0 0 a 1 d E d z d z 0 a 2 d E d z d z displaystyle E 2 z k left E 0 int limits 0 a 1 left frac mathrm d E mathrm d z right mathrm d z right int limits 0 a 2 left frac mathrm d E mathrm d z right mathrm d z nbsp Hierbei entspricht der Term in der eckigen Klammer der Einschussenergie minus den Energieverlust bis zum Erreichen der Tiefe in der gestreut wird multipliziert mit dem k Faktor ergibt sich die Energie nach der Streuung Von dieser wird anschliessend der Energieverlust wahrend des Verlassens der Probe abgezogen Dabei sind a 1 displaystyle a 1 nbsp und a 2 displaystyle a 2 nbsp die Abstande zur Oberflache welche von der konkreten Versuchsanordnung abhangen Das sogenannte Bremsvermogen d E d x displaystyle left tfrac mathrm d E mathrm d x right nbsp ergibt sich aus der Bethe Formel und hangt von der Energie des Teilchens und der Probenzusammensetzung ab Aufgrund dieser Tiefenabhangigkeit der Energie der ruckgestreuten Teilchen ist die Messung der Zusammensetzung mittels RBS auch tiefenaufgelost Abhangig von den Versuchsparametern konnen Tiefen von einigen hundert Nanometern bis hin zu wenigen Mikrometern untersucht werden Diese grosse Eindringtiefe ist deshalb moglich weil der Streuquerschnitt fur hochenergetische Ionen einige MeV sehr viel kleiner ist als bei der niederenergetischen Ionenspektroskopie z B LEIS Energien bis 10 KeV nur fur Oberflachenanalyse geeignet und das Bremsvermogen typischerweise bei mehreren 100 eV nm angesiedelt ist fur Beschuss mit He Ionen Entsprechend ist die analysierbare Tiefe vor allem von E 0 displaystyle E 0 nbsp abhangig Je hoher E 0 displaystyle E 0 nbsp desto hoher die analysierbare Tiefe desto geringer allerdings auch die Tiefenauflosung Fur hohere Tiefen sinkt die Tiefenauflosung ausserdem auch noch durch das sogenannte Straggling Verbreiterung der Energieverteilung des Ionenstrahls beim Durchlaufen der Probe welches durch die statistische Natur des Energieverlusts beim Durchlaufen der Probe entsteht Fur nicht zu hohe Energien entspricht das Streupotential nahezu dem Coulomb Potential und somit ist die Wahrscheinlichkeit fur eine Ruckstreuung Streuquerschnitt bekannt und durch den Rutherfordstreuquerschnitt gegeben Fur hohere Energien kann es zu Abweichungen vom Rutherfordstreuquerschnitt kommen Die Zusammensetzung einer binaren Legierung A x B y displaystyle A mathrm x B mathrm y nbsp kann iterativ aus folgender Formel ermittelt werden setze dazu ϵ B E x ϵ A E y 1 displaystyle frac epsilon mathrm B E x epsilon mathrm A E y 1 nbsp und berechne einen Startwert fur x 1 y displaystyle x 1 y nbsp Dann uber die Bragg sche Regel korrekte Werte der ϵ displaystyle epsilon nbsp ermitteln und erneut berechnen y x Q B s A E 8 ϵ B E x Q A s B E 8 ϵ A E y displaystyle y over x frac Q mathrm B sigma mathrm A E theta epsilon mathrm B E x Q mathrm A sigma mathrm B E theta epsilon mathrm A E y nbsp mit Q displaystyle Q nbsp als gemessener Ruckstreuausbeute des jeweiligen Elements und s displaystyle sigma nbsp als dem differentieller Wirkungsquerschnitt ϵ displaystyle epsilon nbsp der Stopping Power Cross Section Abbremsquerschnitt Werte der Stopping Power konnen mit der Software SRIM ermittelt werden Fur eine Naherung der Formel benutze man in geeigneter Weise gemittelte Abbremsquerschnitte die ganzliche Vernachlassigung der Abbremsquerschnitte fuhrt in den meisten Fallen zu grossen Fehlern Die Formel ergibt sich aus der Ausbeutegleichung Q A x s A n P W D e t N 0 D x x s A n P W D e t D E ϵ A displaystyle Q mathrm A x cdot sigma mathrm A cdot n mathrm P cdot Omega mathrm Det cdot mathrm N 0 Delta x x cdot sigma mathrm A cdot n mathrm P cdot Omega mathrm Det cdot frac Delta mathrm E epsilon mathrm A nbsp mit n P displaystyle n mathrm P nbsp Anzahl der Projektile und dem Raumwinkel des Detektors Siehe auch BearbeitenOberflachenchemie Elastische RuckstreudetektionsanalyseLiteratur BearbeitenJoseph R Tesmer Michael Anthony Nastasi Handbook of Modern Ion Beam Materials Analysis Materials Research Society Pittsburgh PA 1995 ISBN 1 55899 254 5 Leonard C Feldman James W Mayer Fundamentals of Surface and Thin Film Analysis Prentice Hall 1986 ISBN 0 13 500570 1 G Gotz K Gartner High Energy Ion Beam Analysis of Solids Akademie Verlag Berlin 1988 A G Fitzgerald Quantitative microbeam analysis SUSSP Publ 1993 ISBN 0 7503 0256 9 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Rutherford Backscattering Spectrometry amp oldid 230662195