Lasergestützte Atomsondentomographie keramischer Materialien
Final Report Abstract
Ziel des Projektes ist die Ausdehnung der in der Metallphysik etablierten Atomsondentomographie auf nicht-metallische Werkstoffe mittels laserinduzierter Feldverdampfung. Dazu sollte eine vorhandene konventionelle Anlage mit einem Kurzpuls-Lasersystem ausgestattet werden. Modelluntersuchungen sollten an keramischen Materialien durchgeführt werden, um die Möglichkeit der Analyse nichtleitender Materialklassen zu testen. Numerische Programme zur theoretischen Simulation der Feldverdampfung unter Einbeziehung dielektrischer Materialien sollten erarbeitet werden. Am Beginn des Projektes stand die Auswahl, Design und Aufbau der Laserstrahl-Linie. Im Austausch mit möglichen Lieferanten und Kollegen mit ausgewiesener Expertise in der Erzeugung und Anwendung von Kurzzeitlaserpulsen entschieden wir uns für ein vollständig faserbasiertes Verstärkersystem der Fa. Clark, welches sich in den nachgewiesenen Daten durch die größte Stabilität und Reproduzierbarkeit des Laserstrahls sowie die höchste erreichbare Pulsfrequenz auszeichnete. Für den Fortschritt des Projektes hatten wir die erforderliche Zeit zum Design der Anlage, die Ausschreibungs-, Entscheidungs- und Lieferfristen sowie den anschließenden Aufwand zur Erreichung eines stabilen Laserpulssystems deutlich unterschätzt. Ein Routinebetrieb der Anlage wurde erst etwa 15 Monate nach Projektbeginn möglich. Inzwischen ist die Funktionsfähigkeit der Anlage jedoch demonstriert und in Veröffentlichungen belegt. Es ist ein Instrument entstanden, das hinsichtlich seiner Performance den Vergleich mit aktuellen Konkurrenzsystemen in keiner Weise scheut und in manchen Parametern die in den letzten Jahren kommerziell erhältlichen Systeme signifikant überbietet. Zur Messung der Laserpulseffizienz wurde ein Messschema abgeleitet, welches mit der Effizienz von elektrischen Pulsen vergleicht und an metallischen Proben kalibriert wurde. Es zeigt sich, dass der Einfluss der Laserwellenlänge auf die Verdampfungsrate erheblich ist. Um homogene Verdampfungseigenschaften in heterogenen Proben zu erreichen, ist ultrakurzwelliges Licht von großem Vorteil. Die im Antrag auf der Basis von einfachen Verdampfungsmodellen vorgeschlagene Messung der Spitzentemperatur bei der Verdampfung schlug fehl. Die vorhandenen Modelle sind zu einfach, um eine quantitative Beschreibung zu erreichen. Erfolgreiche Atomsondenanalysen inklusive der Rekonstruktion der räumlichen Anordnung der abgetragenen Atome oder Moleküle konnten an einer Reihe unterschiedlicher heterogener Proben mit dielektrischen oder halbleitenden Komponenten erreicht werden. So wurden im Projekt erfolgreiche Messungen an Aluminiumoxyd, Silikat- und Boratgläsern, ionenleitendende Oxyden (LiCoO2) und halbleitenden Chalkopyriden (Cu(InGa)Se2) demonstriert. Inzwischen konnten sogar selbstordnende Polymerschichten und organische Poly-Elektrolyt-Mehrfachschichten analysiert werden. In allen diesen Fällen handelt es sich um Materialien, die zuvor mit konventionellen Atomsonden nicht gemessen werden konnten. Als eine wesentliche Erkenntnis der experimentellen Untersuchungen zeigt sich, dass die Verdampfung von Oxyden unter Berücksichtigung ihrer meist relativ hohen Schmelzpunkte weit kleinere Feldstärken erfordert als vergleichbare Metalle. Programme zur numerischen Simulation der Feldverdampfung von dielektrischen Materialien wurden erstellt. Sie wurden verwendet, um den Einfluss der dielektrischen Abschirmung auf die räumliche Verteilung der Felder und damit auf die Güte der Analysen abzuschätzen. Auf der Basis der Simulationsrechnungen ist als eine Ursache für die relativ niedrigen Verdampfungsfeldstärken eine lokale Fokussierung der Feldlinien zu vermuten, welche in den Rechnungen an oxydischen Ausscheidungen (Feldlinse) und an Schichtgrenzflächen vorhergesagt wird. Der Vergleich der Simulation mit unseren Messungen an Glasschichten zeigt allerdings, dass die dielektrische Verschiebung weit geringer ausfällt, als vorhergesagt. Eine Herausforderung für das theoretische Verständnis. Durch die Arbeiten wurde ein herausragendes analytisches Mikroskop kostengünstig geschaffen und seine Anwendung auf neue Materialien und nanostrukturierte Proben demonstriert. Wir werden dieses Instrument zukünftig in einer Reihe von aktuellen Vorhaben der Arbeitsgruppe einsetzen. Hier werden wir uns vor allem auf die innovative Batterieforschung, Dünnschichtsolarzellen und organische polymere Membranen konzentrieren. Daneben sind als neues Arbeitsgebiet Untersuchungen zur richtungsaufgelösten Elektronenemission aus Nanospitzen geplant, aus denen wir uns fundamentale Erkenntnisse über die Wechselwirkung der Laserpulse mit den Nanospitzen erhoffen. Wir beabsichtigen mit einem Industriepartner die technische Umsetzung des von uns entwickelten Gerätekonzepts und der aufwändigen Messsoftware in ein marktfähiges Produkt.
Publications
- Laser-assisted atom probe analysis of sol-gel silica layers. Ultramicroscopy 109 (2009) 654
M. Gruber, C. Oberdorfer, P. Stender, G. Schmitz
- Reneutralization time of surface silicon ions on a field emitter. New Journal of Physics 12 (2010)
B. Mazumder, A. Vella, M. Gilbert, B. Deconihout, G. Schmitz
- ‘Atom probe tomography of heterogeneous dielectric materials and nanocrystalline thin films’. International Microscopy Congress (IMC 17), Rio de Janeiro (2010)
G. Schmitz
- „Design of a laser-assisted tomographic atom probe at Münster University“. Review of Scientific Instruments 81 (2010) 043703
R. Schlesiger, C. Oberdorfer, R. Würz, G. Greiwe, P. Stender, M. Artmeier, P. Pelka, F. Spaleck, G. Schmitz
- On the Field Evaporation Behaviour of Dielectric Materials in Three-Dimensional Atom Probe: A Numeric Simulation. Microscopy and Microanalysis 17 (2011) 15-25
C. Oberdorfer and G. Schmitz
