Zurück zum Inhalt




Prof. Dr. H. F. Arlinghaus, Dr. D. Lipinsky

Oberflächenphysik

Zur Bestimmung der technologisch besonders wichtigen physikalischen und chemischen Eigenschaften von Festkörperoberflächen, die wesentlich von der chemischen Zusammensetzung der obersten Atom- bzw. Moleküllage bestimmt werden, ist eine genaue Bestimmung der chemischen Zusammensetzung einer Festkörperoberfläche von großer Bedeutung. Sie erfordert die Beantwortung von drei zentralen Fragen:

Zur Beantwortung dieser Fragen werden in unserer Abteilung die massenspektrometrischen Verfahren der Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie (TOF-SIMS) und der Lasernachionisierung-Sekundärneutralteilchen-Massenspektrometrie (Laser-SNMS) weiterentwickelt und grundlagenorientierten Fragestellungen untersucht.
Grundlage der massenspektrometrischen Analyseverfahren bildet der durch Teilchenbeschuss von Festkörperoberflächen freigesetzte Sekundärteilchenfluss, der überwiegend aus der obersten Monolage stammt und sowohl neutrale als auch geladene Atome, Cluster aber auch größere Moleküle (bis zu 10.000 amu) umfasst. Die geladen emittierten Sekundärteilchen können direkt massenspektrometrisch nachgewiesen werden (TOF-SIMS), bilden aber nur einen geringen Anteil am zerstäubten Sekundärteilchenfluss, wodurch auch die Empfindlichkeit der TOF-SIMS physikalisch begrenzt wird.
Eine Verbesserung der Nachweisempfindlichkeit beziehungsweise der nutzbaren Ausbeuten sowie der Quantifizierung lässt sich durch eine Entkopplung des Ionisierungsprozesses vom Zerstäubungsprozess über die Nachionisierung der zerstäubten Sekundärneutralteilchen in der Gasphase mit Laserstrahlen erreichen. Dies erfordert aber auch umfassende Kenntnisse über die dabei ablaufenden Prozesse, um die Auswirkungen unterschiedlicher Nachionisierungswahrscheinlichkeiten von Atomen und Molekülen oder Fragmentierungsprozesse von Molekülen auf die emittierte Flussverteilung berücksichtigen zu können.

Die Arbeitsgruppe verfügt über 6 TOF-SIMS/Laser-SNMS-Geräte, die im Institut konzipiert, gebaut und aus Drittmitteln finanziert wurden. Mit diesen Geräten können Massenauflösungen von m/Dm > 15.000 für TOF-SIMS, Massengenauigkeiten im Bereich von einigen ppm, Ortsauflösungen bis zu 50 nm, Empfindlichkeiten im ppb- bzw. attomol-Bereich und Möglichkeiten zur Kombination mit präparativen und anderen oberflächenanalytischen Methoden realisiert werden. Für die Photoionisierung stehen unterschiedliche Lasersysteme zur Verfügung, die je nach Anwendungsziel für unterschiedliche Nachionisationsprinzipien wie die nichtresonante und die resonante Multiphotonenionisierung, die Einphotonenionisierung und die Femtosekunden-Photoionisierung eingesetzt werden können.

Forschungsschwerpunkte

Forschungsschwerpunkte der Abteilung sind:

Auf der Grundlage der Ergebnisse entsprechender experimenteller Untersuchungen versuchen wir Modellvorstellungen für den Prozess der Teilchenemission von Festkörperoberflächen und der Teilchenphotoionisierung zu entwickeln.

Oberflächenanalytik

Die TOF-SIMS und Laser-SNMS liefern ein detailliertes Bild der chemischen Zusammensetzung der obersten Monolage eines Festkörpers. Erfolgt der Primärionenbeschuss mit einem gerasterten fokussierten Ionenstrahl, kann die Lateralverteilung der Oberflächenkomponenten mit diesen Verfahren bestimmt werden. Wird eine zusätzliche Ionenquelle zur Abtragung der Oberflächenschichten eingesetzt, so kann auch die 3-dimensionale chemische Zusammensetzung der Oberfläche bestimmt werden. Wir konnten die Verfahren zur Lösung vieler auch technologisch wichtiger analytischer Fragen aus dem Bereich der Mikroelektronik, der molekularen Spurenanalytik zum Nachweis pharmazeutischer Produkte in Zellen und biologischem Gewebe, der synthetisierten molekularen Funktionsschichten für die Entwicklung von DNA-Biosensor-Chips etc. einsetzen. So konnten wir bei der Spurenanalyse von Biomolekülen Einzelsubstanzen mit Nachweisgrenzen bis in den 10-18 mol-Bereich nachweisen und identifizieren. Bei der Spurenanalyse von Metallkontaminationen auf Halbleiteroberflächen erreichen wir bei Analysenflächen von nur 30 x 30 µm² Nachweisgrenzen unter 1 ppm in einer Monolage. Bei der Oberflächenabbildung und der Mikrobereichsanalyse können mit Lateralauflösungen bis herab zu 50 nm gleichzeitig mehrere hundert verschiedene Element- und Molekülionen abgebildet bzw. entsprechende Mikrobereichsinformationen gewonnen werden.

Die besondere Leistungsfähigkeit der Oberflächen-Massenspektrometrie führt gegenwärtig zu einer schnellen Erweiterung ihres Einsatzes in zahlreichen Forschungs-, Entwicklungs- und auch Fertigungsbereichen, z. B. der Mikro- und Optoelektronik, den Umwelt- und Energie-, Medizin- und Bio-Techniken, bei neuen Materialien etc.

Geräteentwicklung

Sowohl die Untersuchung der Wechselwirkungsprozesse als auch die analytische Nutzung der von der Oberfläche abgetragenen Sekundärionen bzw. nachionisierten Neutralteilchen erfordern das Zusammenwirken verschiedener Einzelkomponenten in aufwendigen Hochvakuum-Apparaturen. Um die Einsatzbereiche zu erweitern und die Nachweisgrenzen zu senken, ist eine ständige Weiterentwicklung von Einzelkomponenten notwendig. Dies geschieht einerseits über Kooperationen im Rahmen von Drittmittelprojekten aber ebenso zu einem erheblichen Maß durch Eigenentwicklungen und Eigenbau unserer Arbeitsgruppe mit Unterstützung einer sehr leistungsfähigen Feinmechanik- und Elektronik-Werkstatt. In den vergangenen Jahren lag der Schwerpunkt in der instrumentellen Weiterentwicklungen bei den Flugzeit-Massenspektrometern und anderen Einzelkomponenten im Hinblick auf den Einsatz in der TOF-SIMS in der Life Sciences. In Zukunft wird verstärkt die Integration zusätzlicher Einzelkomponenten in die bestehenden Geräte wie unterschiedliche Laser-Systeme zur resonanten und nichtresonanten Multiphotonenionisierung sowie der Feldionisierung von Neutralteilchen mit kHz Wiederholraten oder Kryoschnittmaschinen zur UHV-Kryopräparation biologischer Gewebe im Vordergrund stehen. Mit diesen Systemen können dann neue Anwendungsgebiete erschlossen und grundlagenorientierten Fragestellungen detaillierter untersucht werden. Insbesondere bei der Analyse von Oberflächen erfolgt eine auch interdisziplinäre Kooperation mit zahlreichen industriellen und akademischen Partnern im In- und Ausland. Die Kooperation umfasst u. A. die Bearbeitung gemeinsamer Forschungsprojekte, den Austausch von Wissenschaftlern und die Veranstaltung internationaler Konferenzen.

www.uni-muenster.de/Physik/PI/Arlinghaus




Prof. Dr. M. Donath, apl. Prof. Dr. J. Braun, Dr. H. Fehmer, Dr. G. Rangelov, Dr. L. Wiedmann

Festkörperphysik - Oberflächenmagnetismus

Was ist Magnetismus?

Magnetische Kraftwirkungen haben seit Tausenden von Jahren die Menschen fasziniert. Der Magnetismus begegnet uns in Naturphänomenen wie dem Erdmagnetfeld, das mit Hilfe des Kompasses zur Navigation benutzt wird. Er ist aber auch nahezu allgegenwärtig in der Technik, denken wir an den Elektromotor, den Lautsprecher, die Magnetschwebebahn oder die Computer mit ihrer Vielzahl von magnetischen Speichermedien. Im normalen Sprachgebrauch meint man mit "magnetischen" Eigenschaften solche, die für eine Klasse von festen Stoffen charakteristisch sind, den Ferromagnetika. Wie der Name schon sagt, ist Eisen (lat. ferrum) ein typischer Vertreter dieser Stoffklasse, aber auch einige andere Elemente in fester Form sowie eine Vielzahl von Legierungen weisen ferromagnetische Eigenschaften auf. In Ferromagneten sind die magnetischen Momente der Atome unterhalb einer kritischen Temperatur (Curie-Temperatur TC) spontan geordnet, d.h. ohne ein äußeres Magnetfeld. Die Ursache dieser kollektiven Ordnung (Magnetisierung) ist rein quantenmechanischer Natur und basiert letztlich auf der elektrostatischen Wechselwirkung des Elektronen-Ensembles im Festkörper. Neben der Elektronenladung spielt der Spin eine wichtige Rolle, eine Art Eigendrehimpuls des Elektrons, der mit einem magnetischen Moment verbunden ist. Nach außen messbar sind magnetische Felder, die von den auf makroskopischer Skala magnetisch geordneten Bereichen (Domänen, Weißsche Bezirke) ausgehen. Man unterscheidet weichmagnetische Materialien, deren Magnetisierungsrichtung sich durch kleine äußere Magnetfelder leicht ändern lässt. Man benötigt sie z.B. zum Einsatz als Transformatorkerne. Hartmagnetische Materialien oder Permanentmagnete zeichnen sich durch eine dauerhafte, gegen äußere Felder stabile Magnetisierung aus. Für Speichermedien werden halbharte magnetische Materialien benötigt, da einerseits die Information geschrieben und gelöscht werden soll, andererseits die Information dauerhaft gespeichert bleiben muss. Im Bereich der Materialphysik bestand und besteht die Herausforderung darin, Materialien mit den gewünschten magnetischen Eigenschaften "maßzuschneidern" und damit den verschiedensten Anforderungen der Technik Rechnung zu tragen.

Neue magnetische Phänomene in niedrigdimensionalen Strukturen

Der Bedarf an immer größeren Speicherdichten und immer kürzeren Zugriffszeiten führt zu einer Miniaturisierung der Strukturen, die aber zur Zeit noch weit entfernt ist von atomaren Dimensionen. Da Ferromagnetismus ein kollektiver Ordnungszustand ist, der auf dem Zusammenwirken vieler Atome in einem festen Körper beruht, stellt sich die Frage, wie der Magnetismus auf Erniedrigung der Dimension reagiert. Wie ändern sich die Eigenschaften, wenn statt eines dreidimensionalen Festkörpers eine zweidimensionale Schicht betrachtet wird oder gar eine eindimensionale Reihe von Atomen? Wie viele Atome sind zur Ausbildung ferromagnetischer Ordnung überhaupt nötig? Die Verkleinerung der Strukturen hat zur Folge, dass immer mehr Atome der Struktur zu Oberflächen- bzw. Grenzflächenatomen werden und damit von weniger Atomen des ferromagnetischen Materials umgeben sind. Werden die magnetischen Eigenschaften dadurch nur modifiziert oder werden neuartige Phänomene beobachtet? Mit Hilfe der Ultrahochvakuum-Technik wurde es möglich, Oberflächen und niedrigdimensionale Strukturen definiert herzustellen und zu charakterisieren. Bei der Herstellung von wenige Atomlagen dicken Schichten kann zudem durch die Auswahl der Unterlage der Atomabstand in der magnetischen Schicht gezielt variiert werden. Dieser wiederum hat einen großen Einfluss auf den magnetischen Ordnungszustand in der Schicht. In Dünnschichtsystemen wurden und werden neuartige Eigenschaften beobachtet. In Sandwich-Schichtsystemen, bestehend aus magnetischen und nichtmagnetischen Materialien, wurde beispielsweise Mitte der achtziger Jahre ein Phänomen entdeckt, das für Anwendungen von enormer Bedeutung ist: Der Riesenmagnetowiderstand. Der elektrische Widerstand eines solchen magnetischen "Hamburgers" ist stark unterschiedlich für parallele und antiparallele Ausrichtung der Magnetisierung in den jeweils benachbarten magnetischen Schichten. Dieser Effekt findet zunehmend breite Anwendung als Lagesensor, Festplatten-Lesekopf bis hin zu magnetischen RAMs (Random Access Memories). Außerdem verspricht die Berücksichtigung des Elektronenspins, zusätzlich zur Elektronenladung, beim Bau von Elektronik-Schaltelementen eine neue Art von Elektronik, die Spin-Elektronik oder Magnetoelektronik genannt wird.

Moderne Analytik magnetischer Strukturen

Ziel der Untersuchungen in unserer Arbeitsgruppe ist es, die Korrelation zwischen geometrischer Anordnung der Atome, spinabhängiger elektronischer Struktur und magnetischer Ordnung zu verstehen. Hierfür steht eine Vielzahl von modernen experimentellen Methoden zur Verfügung. Die geometrische Anordnung wird entweder direkt (Rastertunnelmikroskopie) oder ihre Periodizität im Beugungsbild (Beugung langsamer Elektronen) bestimmt. Für die elektronische Struktur stehen hochauflösende Elektronen-Spektroskopien zur Verfügung, bei denen entweder Elektronen mit definierter Spinorientierung als Sonde benutzt werden (Inverse Photoemission, Auftrittspotential-Spektroskopie) oder die Spinrichtung emittierter Elektronen als Informationsträger über magnetische und damit spinabhängige Festkörpereigenschaften dient (Photoemision).

Zur Analyse der magnetischen Ordnung kommen optische Methoden (magneto-optischer Kerr-Effekt) oder die Emission von spinpolarisierten Sekundärelektronen zum Einsatz. Untersucht werden ultradünne Schichten und ihre Grenzflächen, die magnetische Kopplung zwischen magnetischen Schichten und in anderen Nanostrukturen. Bei mehrkomponentigen Schichtsystemen werden Methoden verwendet, die zwischen den einzelnen Komponenten unterscheiden können. Ein neues Arbeitsgebiet bilden zeitaufgelöste Untersuchungen zu elementaren Prozessen der Spindynamik, um ein grundlegendes Verständnis für den Ablauf schneller Magnetisierungsprozesse zu entwickeln.

Ein Schwerpunkt: Elektronische Struktur

Trotz des stürmischen Aufschwungs bei der Entdeckung von neuartigen magnetischen Effekten und der Entwicklung von phänomenologischen Modellen ist eine mikroskopische Beschreibung bis heute noch unvollständig. Ein Schwerpunkt unserer Arbeitsgruppe ist es daher, die magnetischen Phänomene aus der Elektronenstruktur zu erklären. Wie finden sich die primären magnetischen Größen in der elektronischen Struktur wieder? In einem mikroskopischen Bild haben die magnetischen Eigenschaften der klassischen Ferromagnete Eisen, Kobalt und Nickel ihren Ursprung in der unterschiedlichen Anzahl von Elektronen mit magnetischem Spinmoment parallel und antiparallel zu einer Vorzugsrichtung. Abhängig von der Spinorientierung werden die Elektronen daher Majoritäts- und Minoritätselektronen genannt. Ihre Energieniveaus unterscheiden sich um die Austauschaufspaltung DEex, deren Größe von der Energie E, vom Wellenzahlvektor k und der Temperatur abhängt. Die Untersuchung der E(k)-Relation ist von wesentlicher Bedeutung für eine mikroskopische Beschreibung magnetischer Phänomene. Mit besonderem Interesse widmen wir uns Elektronenzuständen, die für die Eigenschaften niedrigdimensionaler Strukturen verantwortlich sind: Oberflächen- und Grenzflächenzustände sowie Quantentrogzustände in Nanostrukturen. Zur Lösung der Probleme stehen wir in regem Austausch mit experimentell und theoretisch ausgerichteten Arbeitsgruppen im In- und Ausland.

www.uni-muenster.de/Physik/PI/Donath





Prof. Dr. H. Fuchs, PD Dr. L. F. Chi, Dr. U. Fischer, Dr. A. Schirmeisen

Grenzflächenphysik

Materie auf molekularer und atomarer Skala untersuchen und gezielt verändern zu können, ist ein alter Traum der Naturwissenschaften. Auf dem modernen Gebiet der Nanowissenschaften beginnt dieser Traum Realität zu werden. Dieses Forschungsgebiet ist sehr vielfältig: maßgeschneiderte funktionale Materialien und Bauelemente für Datenspeicher und Transistoren, die mit einzelnen Elektronen funktionieren, Oberflächenveredelung und selbstreinigende Oberflächen, das Verständnis der molekularen Grundlagen von Klebstoffen und von Transportprozessen in biologischen Systemen, aber auch die direkte Messung von Kräften zwischen einzelnen Molekülen und Atomen, die elektronischen und magnetischen Eigenschaften atomarer Strukturen bis hin zu Fragestellungen des Energietransfers und der sog. Vakuumreibung zwischen Grenzflächen im Abstand einiger Nanometer spielen in diesem interdisziplinären Gebiet eine zentrale Rolle. Das Gebiet erfordert die enge Zusammenarbeit von Experimentalphysikern, theoretischen Physikern und Materialwissenschaftlern, aber auch die intensive Kooperation mit Chemikern und Biologen. Die Erzeugung und physikalische Charakterisierung komplexer selbstorganisierter Nanostrukturen, die in der Biologie in großer Vielfalt vorkommen, ist ein weiterer faszinierender Aspekt des Gebietes. Mit neuen atomar auflösenden Mikroskopieverfahren und grenzflächenbestimmten Herstellungsverfahren organischer Schichtsysteme, die in den letzten Jahren extrem verfeinert wurden, gelingt es immer besser, detaillierte Einblicke in die Vielfalt biologischer Funktionen zu gewinnen, die uns umgekehrt Vorbilder für physikalisch technische Systeme liefern können.
In der Abteilung Grenzflächenphysik beschäftigen wir uns im wesentlichen mit vier Schwerpunkten:

Rastersondenmethoden

Ausgedehnte Oberflächen und oberflächennahe Grenzflächen auf atomarer Skala untersuchen zu können, wurde durch die Rastertunnelmikroskopie (engl. "Scanning Tunneling Microscopy", STM) möglich, die 1981 von G. Binnig und H. Rohrer am IBM Forschungslabor in Zürich entwickelt wurde. Damit gelang es erstmals, atomare Strukturen und ihre elektronischen Eigenschaften auf Oberflächen lokal zu untersuchen und darüber hinaus Atome und Moleküle gezielt in ihrer Position zu verändern.
Dies hat in der Folge zur Entwicklung einer Vielzahl weiterer Verfahren geführt (siehe nächste Seite), die zum Rastertunnelmikroskop komplementäre Informationen liefern.

Ein wichtiges Beispiel ist die Rasterkraftmikroskopie (engl. "Atomic Force Microscopy", AFM), die es erlaubt, die Kräfte zwischen einzelnen Molekülen und Atomen zu messen, wobei die Kräfte unterschiedlichste Ursachen wie z.B. elektrostatische, magnetische oder van der Waals-Wechselwirkungen haben können. Eine weitere wichtige Methode, insbesondere für Fragestellungen, die in die Biologie hineinreichen, ist die Rasternahfeldoptik, die es erlaubt, optische Mikroskopie weit unterhalb des Abbe'schen Beugungslimits zu betreiben. Geeignete Modelle zum Verständnis der Wechselwirkung der optischen Nahfeldsonden mit Oberflächenstrukturen müssen aufgrund der speziellen Geometrie und der Nahfeldwirkung dieser Sonden in vielen Fällen erst entwickelt werden. Hierzu werden sowohl klassische elektrodynamische Modelle als auch quantenmechanische Modelle eingesetzt.

Selbstorganisierte Materialien

Mit den Rastersondenmethoden, die bei uns sowohl unter normalen atmosphärischen Bedingungen als auch im Ultrahochvakuum bei variablen Temperaturen betrieben werden können, untersuchen wir hauptsächlich die strukturellen, elektronischen und optischen Eigenschaften von selbstorganisierten molekularen Schichtsystemen. Mit speziellen Verfahren wie der Langmuir-Blodgett Technik und der Gasphasenepitaxie können molekular kontrollierte (Multi-) Schichtsysteme hergestellt werden. Der hohe Ordnungsgrad in diesen Systemen führt zu kooperativen Effekten, d.h. zur Verstärkung der elektronischen bzw. optischen Eigenschaften der einzelnen Moleküle, so daß die Effekte auch makroskopisch nutzbar werden. Molekular geordnete Schichten sind technologisch interessant zur Herstellung hochspezifischer Bio-Sensoren, molekularer Schalter und organischer Leuchtdioden (Elektrolumineszenz).

Intermolekulare Wechselwirkung

Die Möglichkeit der Untersuchung der Kraftwechselwirkung zwischen einzelnen Molekülen mit Hilfe der Raster-Kraftspektroskopie eröffnet erstmals auch die Möglichkeit, Abrissprozesse von Molekülen auf Oberflächen quantitativ untersuchen zu können.

Von besonderem Interesse sind, auch für die technische Anwendung, chemische Verbünde zwischen organischen Molekülen und metallischen Oberflächen. Ab initio-Rechnungen auf Höchstleistungsrechnern in Kooperation mit theoretischen Gruppen erlauben es uns, den Abrissprozess eines einzelnen Moleküls auf einer Oberfläche zu simulieren und die so gewonnenen Ergebnisse mit experimentellen Daten zu vergleichen. Aus diesen Ergebnissen lässt sich ein besseres physikalisches Verständnis von Bruchprozessen kovalent gebundener Hybridsysteme gewinnen, die technisch von großer Bedeutung sind.

Interdisziplinäre Vernetzung

Unsere Aktivitäten sind in eine Vielzahl von interdisziplinären Projekten eingebunden. Neben der Mitwirkung im Sonderforschungsbereich 424 "Molekulare Orientierung als Funktionskriterium in chemischen Systemen" gemeinsam mit dem Fachbereich Chemie gibt es eine Reihe von Kooperationen sowohl im Land Nordrhein-Westfalen als auch auf Bundesebene. Darüber hinaus gibt es etablierte Projekte mit weltweit führenden Zentren in China, Japan und den USA auf dem Gebiet der Nanowissenschaften. Im Rahmen von Diplom- und Doktorarbeiten finden regelmäßig Austauschbesuche mit diesen Zentren statt. Das neue interdisziplinäre Zentrum für Nanowissenschaften (CeNTech), in dem Gruppen aus verschiedenen naturwissenschaftlichen Fachbereichen und der medizinischen Fakultät zusammenarbeiten werden, rundet unsere Aufgabenstellungen im Hinblick auf die möglichen technologischen Anwendungsfelder ab. Dieses Zentrum bildet eine zentrale Plattform für die Gründung von start-up-Firmen auf dem Gebiet der Nanotechnologie und wird eine Anlaufstelle für gemeinsame Forschungsprojekte mit der Industrie und internationalen Forschungslaboratorien darstellen. Die Aktivitäten der Abteilung Grenzflächenphysik sind über die Kooperationen innerhalb des Physikalischen Instituts hinaus eng vernetzt mit der Materialforschung sowie mit Themenkreisen der Nichtlinearen Physik und der Theoretischen Festkörperphysik des Fachbereiches.

INFO:

http://www.uni-muenster.de/Physik/PI/Fuchs




Prof. Dr. G. F. Hanne

Atom- und Elektronenphysik

Welche elementaren Stoßprozesse spielen sich beim Franck-Hertz-Versuch ab? Es mag verwundern, dass man heute noch immer nicht alles über diese wichtigen Prozesse weiß. Es handelt sich dabei um Stöße relativ langsamer Elektronen mit Atomen und Molekülen. Sie treten z. B. auch in Gasentladungen, Plasmen oder bei astrophysikalischen Prozessen auf. Diese Vorgänge sind dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl sehr unterschiedlicher Stoßprozesse nebeneinander ablaufen, z. B. elastische und inelastische Stöße (auch Ionisation, Dissoziation, Rotations- und Schwingungsanregung), unterschieden nach direkten Stößen und Austauschstößen ggf. unter Bildung kurzlebiger negativer Ionen. Zu einem grundlegenden Verständnis solcher Vorgänge kommt man daher nur, wenn man im Labor diese einzelnen Prozesse ganz gezielt untersucht. Der Schwerpunkt der Forschung in unserer Arbeitsgruppe liegt in der detaillierten Untersuchung solcher Stoßprozesse, wobei die Rolle des Elektronenspins besonders interessiert.

Spinaufgelöste Elektronenstreuung

Die Wechselwirkung von Elektronen mit Atomen und Molekülen ist ein Problem mit wohlbekannten Wechselwirkungen; als Vielteilchenproblem erfordert die Beschreibung solcher Systeme aber stark vereinfachende theoretische Modelle. Die Anwendbarkeit dieser Modelle lässt sich nur anhand von experimentellen Daten überprüfen. Spinaufgelöste Experimente sind dabei besonders hilfreich.

In konventionellen Streuexperimenten sind spinabhängige Prozesse meist von der Coulomb-Wechselwirkung überdeckt. Experimente mit polarisierten ("spinausgerichteten") Elektronen und Korrelationsmessungen eröffnen jedoch zahlreiche Möglichkeiten, spinabhängige Prozesse gezielt zu untersuchen. Das Ziel der Untersuchungen in dieser Arbeitsgruppe besteht darin, die relative Bedeutung verschiedener spinabhängiger Prozesse während des Stoßes zu ermitteln. Zu nennen sind hier insbesondere Austauschprozesse und Ausrichtung und Orientierung der Valenzelektronen durch den Stoß sowie die Spin-Bahn-Wechselwirkung des Kontinuumelektrons und der Targetelektronen. Untersucht werden elastische Stöße, Anregungs- und Ionisationsprozesse.

Experimentellen Methoden

Die einzelnen Forschungsvorhaben werden mit vier verschiedenen experimentellen Anordnungen durchgeführt. Dies sind im Einzelnen (e,eg)- und (e,2e)-Koinzidenzexperimente, bei denen die Sekundärteilchen - gestreutes Elektron (e) und Photon (g) bzw. ionisiertes Elektron (e) - in Koinzidenz nachgewiesen werden. Die Spinausrichtung der Elektronen kann sich durch Stoßprozesse signifikant ändern. Dies wird durch die Bestimmung sogenannter STU-Parameter untersucht, die die Spinausrichtung nach der Streuung beschreiben. Darüber hinaus werden optische Methoden auch zur Untersuchung spinaufgelöster Elektron-Molekül Stöße verwendet sowie der Elektronendichroismus in chiralen Molekülen untersucht.

Den in unserer Arbeitsgruppe durchgeführten Experimenten ist gemeinsam, dass ein polarisierter Elektronenstrahl auf ein Target (Atome, Moleküle, Festkörper) trifft. Die gestreuten Elektronen werden dann winkel- und energieabhängig hinsichtlich ihrer Intensität und ihrer Polarisation untersucht, oder in Koinzidenz mit anderen Sekundärteilchen (Elektronen oder Photonen) nachgewiesen. Die Polarisation der Photonen wird dabei ebenfalls ermittelt. Eine schematische Übersicht über ein Experiment, bei dem gestreute Elektronen und emittierte Photonen in Koinzidenz beobachtet werden, gibt die nebenstehende Abbildung. Diese Beobachtungstechnik erlaubt es, die Besetzung der magnetischen Unterzustände zu ermitteln Zur Realisierung der Experimente müssen neue apparative Hilfsmittel entwickelt oder bereits vorhandene Techniken modifiziert werden. Diese Arbeiten umfassen den Bau von ortsempfindlichen Detektoren zum Einzelteilchen-Nachweis, elektronenoptischen Transportsystemen, Atomstrahlöfen, Spindrehern, Elektronenspektrometern, Analysatoren für polarisierte Elektronen, sowie die komplette Laborautomation und Datenerfassung (Computer-Interfaces, Erstellung von spezialisierter Auswertungs-Software) u.v.a.m. Dadurch gewinnen die in unserer Arbeitsgruppe experimentierenden Examenskandidaten unter anderem praktische Erfahrung in der Konstruktion von feinmechanischen Bauteilen und der Rechnersteuerung und ~auswertung von Experimenten sowie in der Ultrahochvakuumtechnik, Elektronen- und Lichtoptik, Impulselektronik, Laser-, Hochspannungs- und allgemeiner Messtechnik (z. B. kleine Drücke und kleine Magnetfelder).

www.uni-muenster.de/Physik/PI/Hanne/index_d.htm




Prof. Dr. H. Kohl

Elektronenmikroskopie

Die Information in einer elektronenmikroskopischen Aufnahme beruht auf der Streuung der Elektronen im Objekt. Durch Optimierung der Abbildungsparameter, digitale Aufzeichnung und anschließende Verarbeitung der Signale können so mit guter Ortsauflösung nicht nur die Struktur, sondern auch andere Eigenschaften wie z.B. die chemische Zusammensetzung der Probe bestimmt werden. Neben der Erforschung der physikalischen Grundlagen befassen wir uns insbesondere mit der Verbesserung der Verfahren zur quantitativen Auswertung derartiger Aufnahmen.

Mit einem Transmissions-Elektronenmikroskop läßt sich die Struktur dünner Präparate untersuchen. Unsere Arbeitsgruppe verfügt über zwei Transmissions-Elektronenmikroskope mit eingebautem abbildenden Energiefilter. Damit können Strukturabstände von weniger als 0,2 nm abgebildet werden. Als Beispiel zeigt das nebenstehende Bild die Aufnahme einer Goldinsel auf einem amorphen Germanium-Trägerfilm bei einer Vergrößerung von 6.100.000. Hierbei konnten Netzebenenabstände bis herab zu 0,144 nm aufgelöst werden. Derartige Untersuchungen spielen sowohl in der Katalyseforschung, als auch in der Nanostrukturphysik eine große Rolle. Durch Selektion von Elektronen, die einen charakteristischen Innerschalenverlust erlitten haben, lassen sich Elementverteilungsbilder mit hoher Ortsauflösung erzeugen. Im folgenden Bild ist ein Beispiel aus der Halbleiterforschung dargestellt. Dabei zeigt sich, daß anodisch oxidierte Proben eine wesentlich homogenere Germaniumschicht aufweisen als die mit dem "rapid thermal oxide" Verfahren hergestellten Schichten.

Der Schwerpunkt unserer Arbeiten ist die Erforschung der physikalischen Grundlagen dieser Verfahren und die Weiterentwicklung von Methoden zur quantitativen Auswertung. Viele unserer Untersuchungen werden in Kooperation mit den benachbarten Instituten für Materialphysik, für Mineralogie und für Festkörpertheorie durchgeführt.
In einem Rasterelektronenmikroskop wird eine feine Elektronensonde über ein massives Objekt geführt. Die Intensität des detektierten Signals (z.B. Sekundärelektronenen, Rückstreuelektronen, Licht, Röntgenstrahlen) steuert die Helligkeit einer synchron abgerasterten Fernsehröhre und erzeugt so ein Bild. Während bisher meist Elektronen mit Einstrahlenergien zwischen 10 und 40 keV verwendet wurden, untersuchen wir die Kontrastmechanismen bei niedrigeren Einstrahlenergien (0,5 - 10 keV). Die Verwendung niederenergetischer Elektronen reduziert deren Reichweite im Objekt und erlaubt daher eine bessere Auflösung. Der von Rückstreuelektronen erlittene Energieverlust ist ein Maß für die im Präparat zurückgelegte Strecke. Benutzt man nun rückgestreute Elektronen zur Abbildung, deren Energie fast der Einstrahlenergie entspricht, so erhält man ein Bild der Oberfläche. Selektiert man hingegen Elektronen mit deutlich geringerer Austrittsenergie, so werden vorzugsweise Bereiche aus dem Inneren der Probe im Bild dargestellt. Dieser Effekt ist im Bild oben am Beispiel eines Halbleiterchips dargestellt. Das linke Teilbild zeigt eine Aufnahme des oberflächennahen Bereichs, während rechts auch im Inneren der Probe liegende Schichten sichtbar werden. Das Ziel dieser Forschungsarbeiten ist sowohl die Entwicklung quantitativer Tiefenmessmethoden, als auch die selektive Erzeugung von Bildern von im Inneren von Festkörpern verborgenen Schichten. Damit sind die Grundlagen für die Entwicklung eines Tomographieverfahrens gelegt, das beispielsweise für die Qualitätskontrolle in der Halbleiterindustrie geeignet ist.

www.uni-muenster.de/Physik/PI/Kohl/index.html




Prof. Dr. H. Zacharias

Dynamik an Grenzflächen

Dieser Forschungsbereich befaßt sich mit physikalischen und chemischen Prozessen, die oberhalb, innerhalb und unterhalb von Grenzflächen stattfinden und von dieser Grenzfläche gesteuert werden. Ziel ist es, einen Beitrag zum Verständnis des Wie? und Warum? katalytischer Oberflächenreaktionen zu leisten. Die unmittelbare Nähe der Grenzfläche, nur wenige Ångström von den Molekülen entfernt, modifiziert die Kräfte innerhalb der Moleküle so sehr, daß Reaktionen ganz anders ablaufen, als wenn diese sich in der Gasphase oder in Lösung befinden. Um die Dynamik solcher Reaktionen zu verstehen, werden die Systeme optisch angeregt und die Beteiligung der verschiedenen internen Zustände der Moleküle (Rotation und Vibration) sowie ihre räumliche Ausrichtung während der Prozesse mittels gepulster, abstimmbarer Laserstrahlung studiert. Damit man diese sehr schnell ablaufenden Prozesse untersuchen kann, werden Laserpulse von extrem kurzer Dauer benötigt. Neueste Lasertechnologien erlauben die Erzeugung von Pulsen im Bereich von 1- 30 Femtosekunden (1 fs = 10-15s). Da die atomare Struktur und die chemische Zusammensetzung der Grenzflächen solche Reaktionen stark beeinflussen, werden sie mittels Photoelektronenbeugung mit sub-Nanometer Auflösung untersucht. Hierbei kommen modernste Ultrahochvakuum-Apparaturen und Laserverfahren zum Einsatz. Die Arbeitsgruppe ist an verschiedenen Schwerpunktprogrammen der Deutschen Forschungsgemeinschaft, sowie an Initiativen und Programmen des BMBF beteiligt.

Desorption von Oberflächen

Metalloberflächen dienen in den verschiedensten Bereichen als Katalysatoren, so wird z.B. bei den heutigen PKW`s die Reduktion der Abgasschadstoffe an Platin genutzt oder es wird Eisen als Katalysator zur Ammoniaksynthese für die Düngemittelproduktion eingesetzt. Die Wirkungsweise von Metall- und Oxydoberflächen auf die jeweilige katalytische Reaktion ist bis heute nicht genau verstanden. Um die prinzipiellen Mechanismen katalytischer Reaktionen zu klären, bietet sich die Untersuchung von Wasserstoff an Metalloberflächen an. Denn mit modernen numerischen Methoden läßt sich dieses System quantenmechanisch berechnen. Die so aufgestellten Modelle können dann experimentell überprüft und die erkannten Wirkungsweisen auf andere Katalysatoren übertragen werden. Eine weltweit enge Zusammenarbeit mit theoretisch arbeitenden Gruppen wird hierbei gepflegt.
Die Desorption der neu gebildeten Moleküle von Oberflächen stellt dabei einen der grundlegenden Prozesse für katalytisch aktivierte Oberflächenreaktionen dar. Die Dynamik dieses Vorgangs ist zu einem großen Teil bislang noch nicht bekannt. Sie kann insbesondere aus der Anregung der Vibration und der räumlichen Ausrichtung der Rotationsbewegung der Moleküle erschlossen werden. Diese räumliche Ausrichtung erlaubt die Identifizierung von stereochemisch bevorzugten Reaktionskanälen an Oberflächen.. Zur Aufklärung dieses Prozesses wird ferner der Energietransfer in Moleküladsorbaten auf Isolatoreinkristalloberflächen (NaCl, MgO, NiO) untersucht. Neben UV Laserpulsen wird auch Strahlung des Freie Elektronenlasers "FELIX" am FOM Institut in Utrecht (Niederlande) eingesetzt. Hier steht abstimmbare Laserstrahlung im Wellenlängenbereich von 3 bis 200 µm mit Pulsdauern von 0,5 bis 5 ps zur Verfügung. Damit lassen sich insbesondere auch die bisher weitgehend unerforschten Schwingungen des adsorbierten Moleküls gegen die Unterlage studieren.

Neben dem Freie Elektronenlaser kann solche Strahlung auch durch nichtlineare Frequenzkonversion von intensiver Laserstrahlung aus dem nahen IR (0,8-2,5 µm) erzeugt werden. Mittels optisch parametrischer Oszillatoren und Verstärker werden in einem übersichtlichen Laboraufbau in verschiedenen Kristallen spektral schmalbandige, Fourier-limitierte Pulse hoher Intensität bei 1kHz Pulsfolgefrequenz generiert. Neben der Untersuchung von adsorbierten Molekülen findet diese Laserstrahlung auch Anwendung beim Studium von Exzitonen in Halbleitern.
Optisch angeregte Zustände in nanostrukturierten Schichten mit langer Lebensdauer können als Energiespeicher ausgenutzt werden. Die gezielte Population solcher Zustände und ihre Wechselwirkung mit Gasphasenmolekülen ist daher von großem Interesse. Wir setzen Zweiphotonen-Photoemission zur zeitaufgelösten Untersuchung solcher Zustände an C60 Fulleren-Schichten und an Si(111) ein. Die Streuung von Molekülen aus einem gepulsten Molekularstrahl an elektronisch angeregten Nanostrukturen gibt Aufschluß über die molekulare Dynamik der Wechselwirkung und des Energieübertrags.
Unbesetzte elektronische Zustände haben dabei einen großen Einfluß auf elektronische und chemische Eigenschaften von Grenzflächen und von elektronischen Bauelementen. Neben der Zweiphotonen-Photoemission lassen sich solche Zustände auch mit Inverser Photoemission untersuchen, wobei nach Einstrahlung von monochromatischen Elektronen Photonen emittiert werden. Halbleiter mit großer Bandlücke, wie z.B. SiC, sind dabei von besonderem Interesse, da sich mit ihnen neuartige Bauelemente realisieren lassen. An verschiedenen hexagonalen und kubischen Formen von SiC werden daher solche Zustände studiert. Ebenso wird versucht, gezielt oxidierte Modifikationen herzustellen, was für die Herstellung von MOSFETs von großer Bedeutung ist.

Erzeugung ultrakurzer Röntgenpulse

Erst seit wenigen Jahren ist es möglich, mit modengekoppelten Titan-Saphir-Lasern direkt Laserimpulse mit Pulsdauern von etwa 10 fs zu erzeugen. In dieser Zeit legt das Licht eine Strecke von nur 3 µm zurück. Nach Verstärkung der Oszillatorstrahlung werden Pulsenergien von einigen Millijoule (I > 100 GW) bei Repetitionsraten von 1 kHz erreicht. In einer neuartigen Wechselwirkung dieser intensiven Pulse mit Materie können sogenannte Hohe Harmonische bei Photonenenergien bis zu 120 eV und mehr kohärent erzeugt werden. Diese Strahlung eignet sich besonders gut zur Analyse ultraschneller Prozesse an Oberflächen, bei Photonenenergien oberhalb 270 eV auch zur in situ Mikroskopie von biologischen Proben. Inkohärente, harte Röntgenstrahlung bei Energien von 1 bis 20 keV - Ka-Linienstrahlung und Bremsstrahlung - kann in einem heißen Laserplasma erzeugt werden, wobei auch hier eine Pulsdauer von wenigen 100 fs erreicht wird. Solche Strahlung ist zur Untersuchung schneller Prozesse der Materialphysik von großem Interesse. Hierbei können dynamische, elektronische Vorgänge mit ultraschnellen Strukturänderungen einhergehen. Sie lassen sich entweder mit der Beugung von harter Röntgenstrahlung oder mit der Beugung von Materiewellen untersuchen. Beide Ansätze werden in der Gruppe verfolgt, wobei sich das Experiment zur Beugung ultrakurzer Röntgenpulse derzeit im Aufbau befindet. Die Röntgenphotoelektronen-Beugung (XPD) hat sich insbesondere in Verbindung mit schmalbandigen Synchrotron-Lichtquellen wie BESSY II zu einem wichtigen Werkzeug für die Strukturanalyse mit atomarer Auflösung entwickelt. Bei dieser Technik breiten sich von Quellatomen aus wohldefinierten atomaren Rumpfniveaus Materiewellen in Form von Photoelektronen aus, die dann an den nächsten Nachbaratomen gestreut werden. Dabei enthält das Beugungsbild der Elektronen Informationen über diese nächste Umgebung des Emitter-Atoms. Die XPD-Technik wurde bereits erfolgreich für die Strukturanalyse von sauberen und adsorbatbedeckten Oberflächen eingesetzt, wobei derzeit eine Auflösung im sub-Nanometerbereich und eine chemische Identifikation erreicht wird. Besonders interessant ist, daß hiermit auch Grenzflächen untersucht werden können, die im Inneren eines Materials verborgen sind, wie wir es kürzlich für die technologisch wichtige SiO2/Si-Grenzfläche gezeigt haben.

www.uni-muenster.de/Physik/PI/Zach/index.html

Zurück zum Inhalt