Analysis of Strain Relaxation, Ion Beam Damage and Instrument Imperfections for Quantitative STEM Characterizations

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 t...

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Main Author: Belz, Jürgen
Contributors: Volz, Kerstin ( Prof. Dr.) (Thesis advisor)
Format: Dissertation
Language:English
Published: Philipps-Universität Marburg 2019
Subjects:
Online Access:PDF Full Text
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Table of Contents: 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.