Publikationsserver der Universitätsbibliothek Marburg

Titel:Analysis of Strain Relaxation, Ion Beam Damage and Instrument Imperfections for Quantitative STEM Characterizations
Autor:Belz, Jürgen
Weitere Beteiligte: Volz, Kerstin ( Prof. Dr.)
Veröffentlicht:2019
URI:https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2020/0487
DOI: https://doi.org/10.17192/z2020.0487
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2020-04870
DDC: Physik
Titel(trans.):Analyse von Verspannungsrelaxation, Ionenstrahlschaden und Geräteimperfektionen für quantitative STEM Charakterisierungen
Publikationsdatum:2020-10-14
Lizenz:https://rightsstatements.org/vocab/InC-NC/1.0/

Dokument

Schlagwörter:
Imperfektionen, Tetragonale Verspannung, Verspannungsrelaxation, Tetragonal Distortion, Ion Beam Damage, Verspannung, Strain Relaxation, Elektronenmikroskop, Raster-Transmissions-Elektronenmikroskop, Aberrations, Ionenstrahlschaden, Strain, Methode, Aberrationen, Imperfections, Durchstrahlungselektronenmikroskop

Summary:
It is illustrated that the preparation of thin specimens from bulk materials can have significant influence on the interpretability of (S)TEM data. The results of the presented measurements show that and the elastic strain relaxation in low dimensional structures alters the overall strain state of the material – and hence affects strain measurements – as well as the contrast of STEM measurements and is generally needed to be incorporated in comparative simulation studies that involve strained structures. Furthermore, the ion beam thinning process itself can introduce – even with relatively low energies – a serious alteration of the surface which can affect the contrast of STEM measurements. Hence, the correlation to thickness measurements is complicated due to the distinct difference in scattering behaviour between (partially) amorphized surface layers in comparison with crystalline material. Although parts of these effects cannot be avoided the inclusion of amorphous pseudo-oxide layers in simulations has been shown to provide reasonable agreement with the experimental data. Furthermore, the impact of a finite electron source with limited coherence has been investigated. It can be shown that a reproduction of experimental contrast by simulation can only be achieved by the inclusion of an additional focus spread as well as a lateral point spread due to partial spatial coherence. Finally, the previous results are combined to reconstruct the three-dimensional shape of several antiphase domains within gallium phosphide grown on silicon-(001). At first the concept was demonstrated for a simple but highly strained interface and second for large structures with thousands of atomic columns. It is shown that although the contrast mechanism for annular dark-field imaging is in principle straight forward and mathematically simple, the details of atomic resolution microscopy are still very challenging. Realistic assumptions about the specimen properties and the electron optics have been shown to be of great relevance for data evaluation. It is clear that the research should be extended to the regime of low angular dark-field imaging where strain and inelastic scattering play a even more relevant role. Furthermore, it is of great importance to investigate the aforementioned practical aspects of damage layers and optical imperfections for other advanced imaging techniques like diffraction imaging. In addition, it is worth investigating in how far through focus depth section can be utilized to increase the reliability of structure restoration along the transmission direction. It is expected that the improvement of accuracy and robustness of atomic counting techniques will greatly increase the power of a (S)TEM by providing simultaneously lateral and depth information about arrangement and composition. Furthermore, it is clear that the role of high performance simulations will have an even more important role in the future.

Zusammenfassung:
Es wurde gezeigt, dass die Präparation von dünnen Proben aus Volumenmaterial erheblichen Einfluss auf die Interpretierbarkeit von (S)TEM Daten haben kann. Die gezeigten Messungen legen dar, dass die elastische Relaxation von Verspannungen niedrigdimensionaler Strukturen den Gesamtverspannungszustand des Materials verändert, und sowohl Verspannungsmessungen als auch den Kontrast aus STEM Messungen beeinflusst, und daher im Allgemeinen in vergleichenden Simulationsstudien an solchen Strukturen einbezogen werden muss. Weiterhin wurde gezeigt, dass die Ionenstrahldünnung selbst – auch bei vergleichsweise niedrigen Energien – zu erheblichen Veränderungen der Oberflächen führen und den STEM Kontrast beeinflussen kann. Daher wird auch die Messung von Probendicken aufgrund der unterschiedlichen Streuverteilungen zwischen (partiell) amorphisierten Oberflächenlagen und kristallinem Material beeinflusst. Obwohl Teile dieses Effektes nicht vermeidbar sind, wurde gezeigt, dass die Einführungen amorpher Pseudo-Oxidlagen bei Simulationen zu guten Übereinstimmung mit dem experimentellen Daten führt. Im Weiteren wurde der Einfluss einer Elektronenquelle mit endlicher Größe und eingeschränkter Kohärenz untersucht. Es wurde gezeigt, dass experimenteller Kontrast durch Simulationen reproduziert werden kann, wenn eine zusätzliche Fokusaufweitung und eine laterale Punktaufweitung aufgrund der partiellen Kohärenz eingeführt wird. Abschließend wurden die zuvor genannten Resultate kombiniert um die dreidimensionale Struktur einiger Antiphasen Domänen von Galliumphosphid auf Silizium-(001) zu rekonstruieren. Zum einen wurde das Konzept an einer einfachen jedoch hochverspannten Grenzfläche, und zum anderen an großen Strukturen mit tausenden von Atomsäulen demonstriert. Es wurde gezeigt, dass auch wenn die Entstehung des ADF STEM Bildkontrasts im Prinzip einfach ist, die Details der atomar auflösenden Mikroskopie hingegen anspruchsvoll sein können. Es wurde dargelegt, dass realistische Annahmen der Probeneigenschaften und der Elektronenoptik im Hinblick auf die Datenanalyse von großer Bedeutung sind. Es ist klar, dass die Untersuchungen auf niedrigere Streuwinkel ausgedehnt werden sollten, in denen Verspannungen und unelastische Streuung eine größere Rolle spielen. Weiterhin ist es von großer Relevanz die zuvor genannten Aspekte der Schadschichten und optischen Mängel auf andere Bildgebende Verfahren auszudehnen. Zusätzlich ist die Untersuchung von Durchfokussierungstechniken zur Strukturrekonstruktion entlang der Transmissionsrichtung eine vielversprechende Verbesserungsmöglichkeit. Es ist zu erwarten, dass die Verbesserung der Genauigkeit und Robustheit von Techniken zum Zählen von Atomen die Leistungsfähigkeit von (S)TEM erheblich verbessern wird, und Zugang zu der dreidimensionalen Struktur und Komposition ermöglichen wird. Weiterhin ist ersichtlich, dass die Rolle von Hochleistungsrechnungen zum Bildsimulation eine noch größere Rolle in der Zukunft einnehmen wird.


* Das Dokument ist im Internet frei zugänglich - Hinweise zu den Nutzungsrechten