Elektronenbeugung

Grundprinzip und Bedeutung

Elektronenbeugung bezeichnet die Beeinflussung der Ausbreitung von Elektronen durch elastische Streuung an einem Streuobjekt, etwa an einem oder mehreren Atomen. Aufgrund des Welle-Teilchen-Dualismus sind Elektronen Materiewellen zugeordnet. Werden diese Wellen gestreut, überlagern sie sich und erzeugen Interferenzerscheinungen, beispielsweise periodische Intensitätsmaxima in einem Beugungsbild.

Das Verfahren ermöglicht Aussagen über atomare Strukturen und ist deshalb für die Untersuchung von Oberflächen, dünnen Proben, Kristallen, Gasen und Molekülen wichtig. Der erste Nachweis entsprechender Interferenzmuster gelang 1927 Clinton Davisson und Lester Germer beim Davisson-Germer-Experiment an einem Nickelkristall sowie unabhängig davon George Paget Thomson. Davisson und Thomson erhielten dafür 1937 den Nobelpreis für Physik.

Messprinzip und Strukturbestimmung

Elektronenbeugung funktioniert ähnlich wie Röntgenbeugung: Der Elektronenstrahl wird an einzelnen Streuern gebeugt und erzeugt ein charakteristisches Beugungsbild. Daraus lassen sich grundlegende Aussagen über die Anordnung der Atome gewinnen, etwa über Periodizität, Atomabstände und thermische Schwingungen. Elektronen wechselwirken jedoch wesentlich stärker mit Atomen als Röntgenstrahlen. Unter anderem deshalb werden Elektronenbeugungsverfahren gewöhnlich im Vakuum durchgeführt.

Gemessen wird nur die Intensitätsverteilung der gebeugten Elektronenwellen, nicht ihre Phase. Deshalb kann die Struktur des streuenden Materials nicht unmittelbar aus dem Beugungsbild bestimmt werden. Häufig nimmt man zunächst eine bestimmte Struktur an, berechnet deren Beugungsmuster und vergleicht es mit der Messung. Das Modell wird schrittweise angepasst. Auf diese Weise können Atomabstände teilweise bis auf ein Ångström, also 10^{−10} m, bestimmt werden.

Bei der Röntgenbeugung werden Wellenlängen von ungefähr einem Ångström und damit in der Größenordnung von Atomdurchmessern verwendet. Die Wellenlängen der Elektronenbeugung liegen je nach Verfahren deutlich darunter: Bei einer Elektronenenergie von 100 keV beträgt die Wellenlänge beispielsweise etwa 0,037 Å.

Verfahren zur Oberflächenanalyse

LEED und RHEED dienen vor allem der Untersuchung von Werkstoffoberflächen; MEED macht zeitliche Vorgänge beim Wachstum mehrerer Oberflächenlagen sichtbar.

Bei LEED werden im Ultrahochvakuum langsame, energiearme Elektronen mit 10–200 eV auf eine Oberfläche geschossen. Sie werden an deren obersten Schichten charakteristisch gebeugt. Da ihre mittlere freie Weglänge im Kristall nur ungefähr einer Monolage entspricht, ist LEED besonders oberflächensensitiv. Beim Video-LEED wird das Beugungsbild mit einer Kamera aufgenommen. Während der Messung können strukturbestimmende Parameter verändert und die daraus entstehenden Strukturänderungen verfolgt werden.

MEED beobachtet das Multilagen-Oberflächenwachstum als Funktion der Zeit. Beim Frank-van-der-Merve-Wachstum entstehen die Schichten Monolage für Monolage. Dabei ändert sich der Ordnungsgrad der Oberfläche periodisch. Ist eine Lage vollständig abgeschlossen, sind die Fernordnung und damit die Intensität des Beugungsreflexes am größten. Die in bestimmten Zeitabständen stärker oder schwächer auftretenden Reflexe erlauben Rückschlüsse auf das Monolagenwachstum.

RHEED verwendet Elektronenenergien von etwa 10 bis 50 keV. Trotz dieser hohen Energie bleibt die Wechselwirkung auf einen oberflächennahen Bereich beschränkt, weil der Elektronenstrahl unter einem sehr flachen Reflexionswinkel auftrifft. Diese Geometrie erleichtert die Kombination mit weiteren analytischen oder präparativen Anlagen.

Transmissionsbeugung im Materialinneren

TED ist ein Volumenverfahren zur Analyse des Materialinneren und eine Standardmethode der Transmissionselektronenmikroskopie. Elektronen mit Energien von einigen 10 keV bis einigen 100 keV werden durch eine hinreichend dünne Probe geschickt. Diese ist nur einige 10 nm bis einige 100 nm dick. Besonders nützlich ist die Verbindung von Abbildung und Beugung in einem Transmissionselektronenmikroskop (TEM).

Für die Bestimmung von Abständen und Winkeln sollten die Beugungsreflexe möglichst scharf, also punktförmig, sein. Ein scharfer Reflex entspricht einem kleinen Winkelbereich, in dem konstruktive Interferenz auftritt. Seine Breite hängt vom Konvergenzwinkel ab, also von der Breite des Winkelbereichs, aus dem die Probe beleuchtet wird. Bei paralleler Beleuchtung ist der Konvergenzwinkel unendlich klein; deshalb werden Proben bei konventionellen Beugungsmethoden parallel beleuchtet.

In modernen TEM mit Schottky- oder Feldemitter kann der kohärente Elektronenstrahl auf etwa 20 nm fokussiert werden, ohne merklich seine Parallelität zu verlieren. Dadurch sind Beugungsuntersuchungen sehr kleiner Bereiche möglich. Für noch kleinere Strahldurchmesser muss der Konvergenzwinkel wachsen. Dieses Verfahren heißt Micro Diffraction; seine Reflexe erscheinen als kleine Scheiben statt als Punkte.

Bei einem sehr großen Konvergenzwinkel spricht man von konvergenter Elektronenbeugung an Kristallen, kurz CBED. Die Reflexe werden zu breiten Scheiben. Der Beleuchtungswinkel kann jedoch so gewählt werden, dass sich diese Scheiben nicht überlappen, weil konstruktive Interferenz in Kristallen nur bei bestimmten Winkeln beziehungsweise Abständen im Beugungsbild auftritt. CBED erfasst Beugungsbilder für verschiedene Eintrittswinkel des Elektronenstrahls gleichzeitig. Muster innerhalb der Scheiben entstehen durch Unterschiede der dynamischen Beugung und liefern Informationen über Eigenschaften wie Polarität, dreidimensionale Symmetrie und Elektronendichte zwischen den Atomen.

Gasförmige Proben und Rückstreubeugung

GED, deutsch auch GEB, dient zur Strukturaufklärung kleiner und mittlerer Moleküle. Eine gasförmige oder beispielsweise durch Erwärmen verdampfte Probe strömt durch eine feine Düse in eine Hochvakuumkammer. Direkt am Düsenausgang trifft sie auf einen Elektronenstrahl mit typischerweise 40–60 keV. Damit wird der scheinbare Widerspruch zwischen einer Messung im Vakuum und einer gasförmigen Probe gelöst. Das Beugungsbild besteht aus konzentrischen Ringen und wird etwa mit einer Fotoplatte, Image-Plate oder CCD-Kamera aufgezeichnet. Es enthält Informationen über alle Atom-Atom-Abstände im Molekül.

Die Gasphasen-Elektronenbeugung gilt als wichtigste Methode zur Strukturbestimmung kleiner Moleküle und liefert Referenzwerte für quantenmechanische und molekülmechanische Berechnungen. Ein bedeutendes Ergebnis war die Aufklärung der Konformation von Cyclohexan durch Odd Hassel, der dafür 1969 den Nobelpreis für Chemie erhielt. Neuere Entwicklungen richten sich auf die direkte Untersuchung von Reaktionsmechanismen; in diesem Zusammenhang wird Ahmed H. Zewail genannt, Nobelpreisträger für Chemie 1999.

Die Elektronenrückstreubeugung EBSD untersucht kristalline Werkstoffe. Elektronen mit etwa 10–30 keV treffen auf eine möglichst defektarm präparierte Oberfläche, werden am Kristallgitter kohärent zurückgestreut und erzeugen auf einem fluoreszierenden Schirm ein Beugungsbild. Nach dem Abzug des Untergrunds werden Kikuchi-Linien sichtbar. Aus ihrer Anordnung lassen sich die kristalline Phase und die Orientierung des Kristalls bestimmen. Das Informationsvolumen einer Einzelmessung, die nur wenige Millisekunden dauert, muss einkristallin sein. Durch das Mappen mehrphasiger Gefüge können die Verteilung der Phasen und ihre Orientierungen beurteilt werden.