Wasserstoffmikroskopie

Sensitive 3D Wasserstoffmikroskopie mittels Proton-Proton-Streuung

Am Münchner Teilchenbeschleuniger ist derzeit die einzigartige und sensitivste 3D Wasserstoffmikroskopie von dünnen Schichten (30 µm (Wolfram) - 180 µm (Silizium)) mittels Proton-Proton Streuung aufgebaut. Hierbei wird ein Protonen-Strahl mit einer Energie von bis zu 30 Megaelektronenvolt auf die Probe fokussiert. Die Protonen streuen beim Durchdringen der Probe an den Atomen aller Elemente. Wenn ein Proton jedoch auf einen  Wasserstoffkern trifft, also ebenfalls auf ein Proton, kommt es zu einer speziellen Streureaktion. Vergleichbar mit den Kugeln gleicher Masse bei einem klassischen Billard-Spiel streuen die beiden Teilchen wegen der Massengleichheit mit dem genau definierten Winkel von 90° auseinander. Das Streuereignis mit dieser Winkelkorrelation kann mit Hilfe eines strukturierten Detektors in einer zeitlichen Koinzidenz nachgewiesen werden und dabei der Untergrund durch anderen Streuereignisse fast vollständig eliminiert werden. Dabei ist die Streuwahrscheinlichkeit für den Proton-Proton-Streuprozess sehr exakt bekannt und bei bekannter Anzahl der eingeschossenen Protonen ist es möglich, den Wasserstoffgehalt ohne materialabhängige Kalibrierung der Messung absolut zu ermitteln.

Am Rasterionenmikroskop SNAKE wird eine laterale Auflösung von ~1 µm erreicht, die Tiefenauflösung der Methode liegt im Bereich von wenigen Mikrometern. An polykristallinem Diamant konnte bisher sogar eine Nachweisgrenze von weniger als 0.08 at-ppm (8 Wasserstoffatome auf 100 Millionen Kohlenstoffatome) erreicht werden [P. Reichart et al., Three-Dimensional Hydrogen Microscopy in Diamond. Science, 306 (2004) 1537]. (Download: FREE pdf, supporting online material). Weitere Publikationen siehe Publikationsliste des Instituts.