Atomsonde
Die Atomsonde ist ein Analysegerät der Materialwissenschaften. Sie ermöglicht die Identifikation der Masse einzelner Atome, die von einer sehr scharfen Spitze aus einem elektrisch leitenden Material mittels Feldverdampfung abgelöst werden. Ist es möglich, durch Verwendung eines geeigneten Detektors, dreidimensionale Daten vieler Atome zu gewinnen, so bezeichnet man sie auch als tomographische Atomsonde (en: tomographic atom probe TAP) oder dreidimensionale Atomsonde (3DAP). Obwohl es auch Atomsonden gibt, die nur eine eindimensionale Analyse erlauben, ist gewöhnlich die tomographische Atomsonde gemeint.
Funktionsweise
Man kann das TAP als Weiterentwicklung oder Ergänzung des Feldionenmikroskops verstehen, der experimentelle Aufbau ist ähnlich. Eine sehr scharfe Spitze eines elektrisch leitenden Materials mit einem Spitzenradius in der Größenordnung von 10 bis 100 nm wird elektrochemisch oder mit Focused Ion Beam (FIB) hergestellt. Unter Ultrahochvakuumbedingungen und bei Temperaturen an der Spitze von 20 bis 100 K wird ein elektrisches Feld mit einer Spannung von 2 bis 15 kV angelegt, dessen Feldstärke noch nicht ausreicht, um ein Ablösen der Atome (Feldverdampfung) von der Spitze zu bewirken. Zusätzlich zu dieser Basisspannung wird ein sehr kurzer Spannungspuls in der Größenordnung von 10 bis 25 % der Basisspannung gegeben, so dass die Feldstärke kurzfristig ausreicht, um eine Feldverdampfung der Atome zu bewirken. Dieser Puls ist so kurz, dass durchschnittlich nur etwa alle 100 Pulse ein Atom abgelöst wird. Ist die Anzahl der abgelösten Atome zu niedrig oder zu hoch, so wird im Verlauf der Messung die Basisspannung geändert. Das als positiv geladenes Ion abgelöste Atom wird durch das elektrische Feld zu einem Detektor gelenkt. Da der Zeitpunkt, zu dem es abgelöst wurde (der Zeitpunkt des letzten Spannungspulses) bekannt ist, kann aus der Flugzeit die Masse des Atoms bestimmt werden (wie bei anderen Time-of-flight Massenspektrometern). Die x- und y-Position der Atome kann aus dem Ankunftsort auf dem Detektor ermittelt werden. Zur Bestimmung der z-Position wird die Reihenfolge der Ankunft der Atome benutzt. Später eingetroffene Atome befanden sich weiter unten innerhalb der Spitze als früher eingetroffene Atome. Zusätzlich zu diesem simplen Prinzip müssen noch Korrekturen vorgenommen werden, die durch die (meist als halbkugelförmig angenommene) Spitzengeometrie bedingt sind.
Die Positionsbestimmung in z-Richtung ist genau genug, um in den rekonstruierten Daten einzelne Netzebenen unterscheiden zu können (einige Hundertstel Nanometer). Die Auflösung in x- und y-Richtung beträgt einige Zehntel Nanometer.
Insgesamt können dabei mehrere Millionen Atome gemessen werden, bei den neusten Atomsonden, die sich insbesondere durch große Detektorflächen auszeichnen, sind 50 Millionen Atome pro Messung möglich. Dies entspricht einem Volumen von mehreren Hundert Kubiknanometer.
Anwendungsgebiete
Einige Anwendungsgebiete des TAP sind (keine vollständige Liste)
- Mehrschichtsysteme (z. B. TMR-, GMR-Systeme)
- Cluster, Ausscheidungen, besonders in frühen Stadien, die mit Transmissionselektronenmikroskopie nicht untersuchbar sind
- Ordnungsbestimmung
Untersuchen lassen sich prinzipiell nur Materialien mit einer gewissen elektrischen Leitfähigkeit. Durch zusätzliche Laserpulse lassen sich auch weniger leitfähige Materialien untersuchen.