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Niederenergie STEM

In der Elektronenmikroskopie gibt es eine starke Nachfrage an Informationen über die Dicke und Zusammensetzung der Probe. Die Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM) bei niedrigen Energien (bis zu max. 30keV) bietet einen Zugang zu diesen Informationen. Aktuelle Rasterelektronenmikroskope (REM), die mit einem STEM-Detektor ausgerüstet sind, können sowohl zur Abbildung wie auch zur quantitativen Auswertung der transmittierten Elektronen verwendet werden. Über den Vergleich mit simulierten oder berechneten Transmissionsverhältnissen können die Probendicke und die Probenzusammensetzung mit hoher lateraler Auflösung bestimmt werden. Um die Genauigkeit zu erhöhen und die Methode zu überprüfen, werden Proben mit definierter Dicke bzw. definiertem Keilwinkel hergestellt. Dies wird mit Hilfe der focused ion beam Technik (FIB) realisiert. Die Verwendung von REM-typischen niedrigen Energien erlaubt die Untersuchung von empfindlichen Proben ohne Strahlenschäden zu verursachen.

Fig 1: Schematischer Querschnitt durch die InGaAs-Proben

 

Die Proben, auf die sich unsere Forschung im Moment konzentriert, bestehen aus InGaAs-Schichten in einer GaAs-Matrix. Die InGaAs-Schichen haben eine Dicke von 20nm und werden durch 35nm dicke GaAs-Schichten getrennt. Die In-Konzentration in den Schichten variiert zwischen 10% -40%, wie links im schematischen Querschnitt dargestellt.

 

 

 

Unten ist ein STEM-Image einer konventionell präparierten Probe gezeigt, dass im HAADF-Modus aufgenommen wurde. Die Schichten können gut unerschieden werden, da die verschiedenen In-Konzentrationen zu verschiedenen Bild-Intensitäten führen. Die vierte Schicht mit einer In-Konzentration von 40% zeigt Kontraste die von Versetzungen verursacht sein können. Die Intensität der GaAs-Zwischenschichten nimmt zu, da die Probendicke präparationsbedingt zunimmt.

 

Fig 2: STEM HAADF Image einer konventionell präparierten Probe

 

Selected conference poster presentations:

Sample thickness determination by low-energy scanning transmission electron microscopy (pdf)

Quantitative Transmission Measurements in a Scanning Electron Microscope (pdf)

 

Ausgewählte Veröffentlichungen:

[1] T. Volkenandt, E. Müller, D. Gerthsen, D. Hu, D. Schaadt,
Quantification of the In concentration of InGaAs quantum wells by transmission measurements
in a scanning
electron microscope, in W. Grogger, F. Hofer, P. Pölt (Eds.),
Proc. MC2009 Microscopy Conference, Graz, Austria (2009),
Vol. 3: Materials Science, p. 295, Verlag der TU Graz 2009

[2] T. Volkenandt, E. Müller, D. Hu, D. Schaadt, D. Gerthsen,
Quantification of Sample Thickness and In-Concentration of InGaAs Quantum Wells by Transmission Measurements
in a Scanning Electron Microscope
,
Microscopy and Microanalysis 16, 604-613 (2010)

[3] M. Pfaff, E. Müller, M. Klein, A. Colsmann, U. Lemmer, V. Krzyzanek, R. Reichelt, D. Gerthsen,
Low-energy electron scattering in carbon-based materials analyzed by scanning transmission electron microscopy
and its application to sample thickness determination,
J. Microscopy 243, 31 (2011)

[4] M. Pfaff , E. Müller, M. F. G. Klein, A. Colsmann, U. Lemmer, V. Krzyzanek, R. Reichelt and D. Gerthsen.
Low-energy electron scattering in carbon-based materials analyzed by scanning transmission electron microscopy
and its application to sample thickness determination.
Journal of Microscopy 243, 31-39 (2011)

[5] M.F.G. Klein, M. Pfaff, E. Müller, J. Czolk, M. Reinhard, S. Valouch, A. Colsmann, U. Lemmer, D. Gerthsen,
Poly(3-hexylselenophene) solar cells: Correlating the optoelectronic device performance and nanomorphology
imaged by low-energy scanning transmission electron microscopy,
J. Polymer Science: Polymer Physics 50, 198 (2012)

[6] M. Pfaff, M.F.G Klein, E. Müller, P. Müller, A. Colsmann, U. Lemmer, D. Gerthsen,
Nanomorphology of P3HT:PCBM-based absorber layers of organic solar cells after different processing
conditions analyzed by low-energy scanning transmission electron microscopy,
Microsc. Microanal. 18, 1380 (2012)

[7] H. Gehrke, A. Frühmesser, C. Marquardt, J. Pelka, M. Esselen, L. Hecht, H. Blank, H.P. Schuchmann, D. Gerthsen,
S. Diabaté, C. Weiss, D. Marko,
In vitro toxicity of amorphous silica nanoparticles in human colon and lung carcinoma cells,
Nanotoxicology 7, 274 (2013)

[8] H. Blank, R. Schneider, D. Gerthsen, H. Gehrke, K. Jarolim, D. Marko,
Application of low-energy scanning transmission electron microscopy for the study of Pt nanoparticle
uptake in human carcinoma cells,
Nanotoxicology 8, 433 (2014)

[9] T. Volkenandt, E. Müller, D. Gerthsen,
Sample thickness determination by scanning transmission electron microscopy at low electron energies,
Microsc. Microanal