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Beugung niederenergetischer Elektronen an Oberflächen (LEED)

LEED (von engl. Low-energy electron diffraction) ist eine Beugungstechnik, in der ein Strahl niederenergetischer Elektronen (30-250 eV) Verwendung findet. Sie stellt einen Standard zur Beurteilung der kristallographischen Qualität einer Oberfläche dar (entweder saubere Oberfläche oder eine mit geordneter Adsorbatschicht). Aufgrund der geringen Energie ist die Eindringtiefe sehr gering, typischerweise weniger als 10 Å, was die Charakterisierung der obersten Lage einer Oberfläche hinsichtlich ihrer Geometrie ermöglicht. Strukturelle Information wird experimentell über die Analyse der Winkelverteilung von Elektronen gewonnen (Beugungsbild), die elastisch von der Probenoberfläche rückstreuen und auf einem Fluoresenzschirm detektiert werden (vgl. Abb. 1).

Abbildung 1: Schematische Darstellung eines Drei-Gitter LEED-Setups.

Das Beugungsmuster ist direkt verknüpft mit dem reziproken Gitter der Probe – ein Gitter, das der Fouriertransformierten des Originalgitters entspricht.

Abbildung 2: LEED-Apparatur und Pattern einer Cu(221)-Oberfläche mit Skizze der Atomanordnung.

Typische Fragestellungen, die mit dieser Methode bearbeitet werden sind:

Resultierende atomare Ordnung auf dem Substrat [1]:

Abbildung 3: Vergleich der LEED-Muster (58 eV) von ZnO(000-1)-O-Oberflächen, aufgezeichnet nach (a) Heizen an Luft und (b) UHV-basierten Reinigungszyklen, zusammen mit entsprechenden Profilen über die Beugungsmaxima (c). Weiter ein Schema der ZnO Wurzit-Kristallstruktur (d) mit Draufsicht auf ideale abgeschlossene ZnO-Festkörperoberfläche mit (000-1)-Orientierung.

In diesem Beispiel kann man aus dem Unterschied der Schärfe der LEED-Reflexe klar einen Unterschied in der atomaren Ordnung der O-terminierten ZnO(000-1)-Oberfläche folgern, der durch verschiedene Präparationprozess zu Stande kommt. Die Breite der Beugungspunkte in Abb. 3c) spiegelt einen anderen Grad der lateralen Ordnung wider.

Strukturelle Ordnung eines auf einem Substrat adsorbierten Dünnfilms [2]:

Abbildung 4: Gemessene LEED-Muster von SAMs von AntSe auf einer Au(111)-Oberfläche, aufgezeichnet mit a) E = 75 eV und b) E = 99 eV. c) Reziprokes Gitter einer (√3 × 4)rect. Struktur inklusive Rotationsdomänen. Gestrichelte rote und blaue Hexagons in a), b) und c) repräsentieren das Beugungsmuster 1. Ordnung einer reinen Au(111)-Oberfläche. d) Strukturmodell der AntSe-SAM.

Beugung niederenergetischer Elektronen kann ein leistungsstarkes Werkzeug darstellen um die tatsächlicher Überstruktur einer selbst-assemblierenden Monolage (SAM) zu entschlüsseln. Im in Abb. 4 gezeigten Beispiel bildet der Anthracenselenolat-SAM eine kommensurable rechteckige (√3 × 4)-Überstruktur auf Au(111) aus, die allerdings in drei Domänen auftritt, entsprechend der dreifachen Symmetrie der darunter liegenden Substratoberfläche. Die einzelnen Domänen sind in Abb. 4c) farblich hervorgehoben. Abhängig von der verwendeten Elektronenenergie werden verschiedene Beugungsreflexe sichtbar (vgl. Abb. 4a-b).

Beispielhafte Publikationen unserer Gruppe, in denen LEED genutzt wurde:

• [1] Rapid preparation of highly ordered ultraflat ZnO surfaces.
  Jan Götzen and Gregor Witte
  Applied Surface Science 258 (24), 10144-10147 (2012)
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• [2] Selenium as a Key Element for Highly Ordered Aromatic Self-Assembled Monolayers.
  Asif Bashir, Daniel Käfer, Jan Müller, Christof Wöll, Andreas Terfort, and Gregor Witte
  Angewandte Chemie Int. Ed. 47 (28), 5250-5252 (2008)
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• Interface Structure and Evolution of Dinaphthothienothiophene (DNTT) Films on Noble Metal Substrates.
  Maximilian Dreher, Daniel Bischof, Felix Widdascheck, Andrea Huttner, Tobias Breuer, Gregor Witte
  Advanced Materials Interfaces 5 (21), 1800920 (2018)
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