Holographische Tomographie elektrischer und magnetischer Potentiale und Felder
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der hoch aktuelle und immer bedeutender werdende Forschungsbereich der Nanowissenschaften benötigt eine leistungsfähige Elektronenmikroskopie zur Aufklärung der Struktur-Eigenschafts-Beziehung von Materialen auf der Nanometerskala. Insbesondere deren intrinsische elektrischen und magnetischen Potenzial- bzw. Feldverteilungen spielen dabei eine bedeutende Rolle. Das elektronenmikroskopische Verfahren der holografischen Tomografie (HT) bietet Zugang genau zu dieser Information. Im Rahmen dieses DFG Projektes wurde die holografische Tomografie von einer zuvor aufwendigen und manuellen zu einer weitestgehend automatisierten und quantitativen Methode zur 3D-Abbildung von elektrostatischen Potenzialen bei einer Auflösung von wenigen (5-10) Nanometern entwickelt. Die Automatisierung des umfangreichen Arbeitsflusses (Aufzeichnung, holografische Rekonstruktion, Ausrichtung und tomographische Rekonstruktion) erlaubt es nun in relativ kurzer Zeit (ein bis zwei Tage) das 3D-Potenzial einer Probe zu rekonstruieren. Diese einzigartige Möglichkeit führte zu zahlreichen Kooperationen, innerhalb des Projektzeitraumes. Dazu trugen nicht zuletzt unsere neuen Entwicklungen hinsichtlich der tomographischen Methode bei. Dies sind unter anderen: • „Tomographic and HOlographic Microscope Acquisition Software" (THOMAS) zur computergesteuerten Aufzeichnung von tomographischen Kippserien, • Automatisierung des holographischen Rekonstruktions-Prozesses zur Gewinnung der Kippserie von Phasen aus den Elektronenhologrammen • Prozeduren für die Ausrichtung der Kippserie zur Verschiebungen aller Projektionen (Phasen) bzgl. einer gemeinsamen Kippachse, sowie • Weighted Sequential Iterative Reconstruction Technique (WSIRT) zur 3D-Rekonstruktion der elektrostatischen Potenziale. Die Leistungsfähigkeit der HT wurde an einer Vielzahl von Proben demonstriert, beispielsweise zur • 3D-Rekonstruktion einer mit Gold beschatteten Latex-Kugel als Testobjekt für die Benutzung der HT zur Bestimmung von Mittleren Inneren Potenzialen • 3D-Rekonstruktion von Diffusionspotentialen an pn-dotierten Ge- und Si- Halbleiter¬strukturen • 3D-Untersuchung der inneren und äußeren (Oberflächen-Morphologie) Struktur an gezüchteten GaAs bzw. AlGaAs Nano-Partikeln • 3D-Untersuchung von ferro-elektrischen (BaTiO3) Nano-Partikeln. Das weitaus komplexere Verfahren der 3D-Rekonstruktion von magnetischen Vektorfeldern konnte bisher leider noch nicht vollendet werden. Es wurde aber eine algebraische 3D-Rekonstruktionsmethode entwickelt, welche in der Lage ist, magnetische Beispielfelder mit inhomogenen Randbedingungen auf dem Rand des Rekonstruktionsvolumens zu rekonstruieren. Die Anwendung auf bereits vorhandene experimentelle Kippserien steht aufgrund von Rausch- bzw. und „Missing-Wedge“ Problemen in den experimentellen Daten noch aus.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Beiträge in Proceedings 71st Annual Meeting and DPG-Spring Meeting of the Division Condensed Matter, Regensburg, 372. DPG, Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, (2007).
Lenk, A., Formánek, P., Wolf, D., Lichte, H., Mühle, U.
- Comparison of 3D potential structures at different pn-junctions in FIB-prepared silicon and germanium samples measured by electron-holographic tomography. In EMC 2008. 14th European Microscopy Congress, Aachen. Volume 2: Materials Science. Editors: Dr. Silvia Richter, Dr. Alexander Schwedt, pp. 21–22, Springer-Verlag Berlin (2008).
Lenk, A., Wolf, D., Lichte, H., and Mühle, U.
- Three-dimensional potential mapping of nanostructures with electron-holographic tomography. In EMC 2008: 14th European Microscopy Congress 1–5 September 2008, Aachen, Germany. Volume 1: Instrumentation and Methods. Eds: M. Luysberg, K. Tillmann,
T. Weirich, pp. 339–340, Springer, Berlin (2008)
Daniel Wolf, Andreas Lenk, Hannes Lichte
- Beiträge in Proceedings MC 2009, Graz Microscopy Conference, Graz Austria 30 August - 4 September 2009, First Joint Meeting of Dreiländertagung & Multinational Congress on Microscopy, Vol. 1:Instrumentation and Methodology, Hrsg: Kothleitner Gerald, Leisch Manfred (2009)
Falk Röder, Axel Lubk, Dorin Geiger, Hannes Lichte
- Elektronen-holographische Tomographie zur 3D-Rekonstruktion elektrostatischer Potenziale.
2010, Dissertation, TU Dresden
Daniel Wolf
- The effect of dynamical scattering in offaxis holographic mean inner potential and inelastic mean free path measurements.
Ultramicroscopy 110(5), p. 438-446.(2010)
Lubk, A., Wolf, D. and Lichte, H.
- Towards automated electron holographic tomography for 3D mapping of electrostatic potentials.
Ultramicroscopy, 110(5), p. 390-399 (2010)
Wolf, D., Lubk, A., Lichte, H. and Friedrich, H.
- 3D imaging of electrostatic potentials in nanostructures with electron holographic tomography. Proceedings of
DPG-Frühjahrstagung, Dresden, MM 40.4. (2011)
Wolf, D., Lubk, A., and Lichte, H.
- Electron holographic tomography for mapping the three-dimensional distribution of the electrostatic potential in III-V semiconductor nanowires. Applied Physics Letters, 98(26), 264103 (2011)
Wolf, D., Lichte, H., Pozzi, G., Prete, P., and Lovergine, N.
