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Über dieses Buch

Dieses Praktikerbuch bietet eine kompakte Übersicht zu 50 wichtigen werkstoffanalytischen Verfahren, die jeweils auf einer Doppelseite kurz und übersichtlich dargestellt werden. Diese Verfahren dienen der Ermittlung von Eigenschaften und Defekten im makroskopischen, mikroskopischen und nanoskopischen Bereich. Darunter fällt insbesondere die Bestimmung der Materialzusammensetzung, der Kristallstruktur, der Phasen und der Realstruktur (z.B. Gitterkonstanten, Orientierungen, Eigenspannungen, Versetzungsdichten, Strukturdefekte) sowie weiterer werkstoffrelevanter Größen an Proben und Bauteilen. Der inhaltliche Zugang erfolgt wahlweise über die Anwendungsgebiete mit zugehörigen Verfahren oder über die Übersicht nach Verfahrensgruppen. In komprimierter Form werden die einzelnen Methodenbeschreibungen nach Anwendungen, Funktionsprinzip, Leistungsprofil und Probenpräparation untergliedert sowie mit jeweils typischen Instrumentierungs- und Applikationsbeispielen komplettiert.Das Kompendium bietet einen ersten Einstieg zur effektiven und zielsicheren Auswahl werkstoffdiagnostischer Methoden.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

VLM - Lichtmikroskopie

Erste Mikroskope wurden von Z. JANSSEN und A. v. LEEUWENHOEK bereits im 17. Jh. gebaut. Spätere Wegbereiter des Gerätes waren u.a. O. SCHOTT, E. ABBE und A. KÖHLER. Das vom Objekt kommende Licht wird durch eine Kombination von zwei Linsen (Objektiv und Okular) optisch abgebildet, wobei vom Objektiv zunächst ein reelles Zwischenbild erzeugt wird, das durch das Okular vergrößert betrachtet werden kann.

Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

SNOM - Optische Rasternahfeldmikroskopie

Bei der optischen Rasternahfeldmikroskopie gelingt es, das in der Lichtmikroskopie geltende Abbe-Auflösungslimit durch eine spezielle Messanordnung zu unterschreiten. Das Licht wird durch eine hohle Messspitze geleitet, welche am Ende eine mikroskopische Apertur besitzt. Die Probe wird wenige Nanometer entfernt von der Austrittsstelle des Lichts positioniert. Das reflektierte oder transmittierte Licht gelangt in einen hochempfindlichen Detektor, dessen Ausgangssignal zur Bilddarstellung benutzt wird.

Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

REM - Rasterelektronenmikroskopie

SEM - Scanning Electron Microscopy

Das Verfahren basiert auf Arbeiten von E. RUSKA (erstes TEM) und M. v. ARDENNE (Rasterprinzip) in den 1930er Jahren. Ein fein fokussierter Elektronenstrahl wird über die Probenoberfläche gerastert und erzeugt dort innerhalb des Wechselwirkungsvolumens Sekundärelektronen und Rückstreuelektronen. Diese werden mit einem Detektor erfasst und in ein Helligkeitssignal für die Bilddarstellung umgewandelt.

Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

TEM - Transmissionselektronenmikroskopie

TEM - Transmission Electron Microscopy

Das Prinzip des TEMs beruht auf Arbeiten von E. RUSKA. Ein fokussierter, hoch beschleunigter Elektronenstrahl durchdringt ein dünnes, elektronentransparentes Objekt und erzeugt auf einem dahinter angeordneten Leuchtschirm bzw. einer CCD-Kamera eine Abbildung, wobei die de-Broglie-Wellenlänge der Elektronen eine prinzipielle Ortsauflösung ermöglicht, die weit kleiner ist als die Atomabstände. Verschiedene Abbildungsmodi erlauben die Untersuchung unterschiedlicher Aspekte im Probenmaterial.

Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

EFTEM - Energiegefilterte Transmissionselektronenmikroskopie

Im Transmissionselektronenmikroskop durchdringen hochbeschleunigte Elektronen eine dünne Festkörperlamelle und erleiden infolge inelastischer Streuung an den Elektronenhüllen spezifische Energieverluste, welche von der Zusammensetzung, vom kristallinen Aufbau und von den Bindungsverhältnissen im Festkörper abhängen. Bei der energiegefilterten Abbildung werden zur Bilddarstellung nur Elektronen aus einem spezifischen Energiefenster genutzt. Damit lassen sich Elementverteilungsbilder („Mappings“) erzeugen.

Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

HIM - Helium-Ionen-Mikroskopie

Ein Helium-Ionen-Mikroskop gleicht in vielen Merkmalen einem Rasterelektronenmikroskop, wobei die Probe aber nicht mit Elektronen, sondern mit Heliumionen beschossen wird. Eine Ionenoptik sorgt für eine extrem starke Bündelung des Teilchenstrahls und mittels einer Ablenkeinheit wird der Strahl analog zum REM über die Probe gerastert. Dort erzeugen die auftreffenden Teilchen eine große Zahl von Sekundärelektronen, welche zur Bilddarstellung genutzt werden. Die erzielbaren Auflösungen sind besser als die im REM, weil der Ionenstrahl in der Probe nicht so stark aufgeweitet wird.

Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

FIB - Ionenfeinstrahltechnik

Dieses, meist Focused Ion Beam (FIB) genannte Verfahren hat sehr viele Parallelen zur Rasterelektronenmikroskopie, weshalb man diese Technik häufig mit letzterer in einem Zweistrahlgerät kombiniert. Der wesentliche Unterschied zwischen beiden Verfahren besteht in der Art der Primärteilchen, welche beim FIB meist Galliumionen aus einer Flüssigmetallionenquelle sind. Diese werden in Richtung der Probe beschleunigt, fein fokussiert und in einem genau definierten Probenbereich gerastert, wo gezielt Material abgesputtert wird. An den Seitenwänden des entstehenden Sputterkraters liegen danach nahezu artefaktfreie Querschnitte vor, welche für REM-Querschnittsabbildungen genutzt werden. Auch für das TEM ist dies eine Standardpräparationsmethode.

Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

AFM - Rasterkraftmikroskopie

Im Rasterkraftmikroskop wird eine sehr feine Messspitze wird mit hoher Genauigkeit im Bereich der Nahfeldwechselwirkung über eine Oberfläche bewegt. Die Oberflächenstruktur der Probe lenkt dabei den Biegebalken mit der Spitze positionsabhängig aus, was typischerweise mit optischen Sensoren gemessen wird und ein Maß für die zwischen Spitze und Oberfläche wirkenden atomaren Kräfte darstellt. Das punktweise quantitative Aufzeichnen dieser Kräfte über ein bestimmtes Probengebiet wird zur Bilddarstellung verwendet.

Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

Magnetooptische KERR-Mikroskopie

Die Methode basiert auf dem vom schottischen Physiker J. KERR 1876 entdeckten magneto-optischen Kerr-Effekt (MOKE), der nicht mit dem ebenfalls von J. KERR 1875 beschriebenen elektro-optischen Kerr-Effekt zu verwechseln ist. Dabei wird die Polarisationsebene des in ein Polarisationsmikroskop einfallenden, linear polarisierten Lichtstrahls bei Reflexion an einer ferromagnetischen Probenoberfläche proportional zu deren Magnetisierung um den Kerr-Winkel gedreht. Die Änderung des Kerr-Winkels stellt damit ein Maß für die Magnetisierungsrichtung der Probe dar.

Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

3D-AP - Atomsonde

Dieses Verfahren ist auch als Local ElectrodeTM Atom Probe (LEAP) oder Atom Probe Tomography (APT) bekannt und wurde 1967 von E.W. MÜLLER und J.A. PANITZ vorgestellt. Es kombiniert ein Feldionenmikroskop mit einem Massenspektrometer und ist das einzige Verfahren zur Materialanalyse, welches Informationen über die Zusammensetzung und gleichzeitig eine 3D-Abbildung im atomaren Maßstab liefert.

Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

Thermographie

Das Verfahren basiert auf Arbeiten von F.W. HERSCHEL, der im Jahr 1800 die Infrarotstrahlung der Sonne nachgewiesen hat. Die Thermographie ist ein bildgebendes Verfahren zur Darstellung der Oberflächentemperatur von Objekten. Dabei wird die Intensität der Infrarotstrahlung, die von einem Probenpunkt ausgeht, als Maß für dessen Temperatur verwendet. Eine Thermographiekamera wandelt die für das menschliche Auge unsichtbare Infrarotstrahlung in elektrische Signale um und erzeugt ein Falschfarbenbild.

Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

TherMoiré

Das Verfahren geht auf Arbeiten von Ch. UME (Georgia Tech, Atlanta) zurück. Es basiert auf der Analyse von Schattenmoirémustern, die meist viermal vom Messobjekt aufgenommen und überlagert werden. Daraus entsteht ein Phasenbild, aus dem die Höheninformationen zur Feststellung der Objektverbiegung gewonnen werden können.

Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

RGS - Röntgengrobstrukturinspektion X-ray Radiography

Ein aus einer Strahlenquelle (Röntgenröhre, Radionuklid bei „Gammadefektoskopie“) austretender Primärstrahl wird mittels einer Bleiblende (Vermeidung von Streustrahlung) ausgeblendet und auf das Untersuchungsobjekt ausgerichtet (W.C. RÖNTGEN, 1895). Als Detektoren kommen Röntgenfilme, Leuchtschirme oder digital auslesbare Systeme wie Image Plates oder Festkörperdetektoren zum Einsatz. Zur Durchstrahlung der Probe wird die Bremsstrahlung ausgenutzt. Ziel ist die Abbildung eines hohen Kontrastunterschieds (Absorptionskontrast) der in der Probe befindlichen Bestandteile inklusive der Fehler.

Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

XCT - Röntgen-Computertomographie

Bei dieser Technik wird das zwischen Röntgenröhre und Flächendetektor angeordnete Objekt in definierten Winkelschritten gedreht und je ein zweidimensionales Radiographiebild detektorseitig registriert. In der Detektorebene wird somit die Absorption der Röntgenstrahlen längs einer Vielzahl von Geraden von der Röntgenquelle zum Detektor in einer Ebene (Linienintegrale) längs eines Weges als Grauwert eines Pixels bestimmt. Die heute meist genutzte Variante zur Rekonstruktion zweidimensionaler Absorptionsschnittbilder aus den Messwerten ist die sog. gefilterte Rückprojektion. Das softwaregestützte Zusammenfügen dieser Bilder ermöglicht anschließend die Visualisierung eines 3D-Volumenmodells des Objekts.

Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

XCL - Röntgen-Computerlaminographie / Planartomographie

Bei der Laminographie werden analog zur Computertomographie aus verschiedenen Aufnahmen mit jeweils integralen Schwächungsinformationen Schnittebenen der untersuchten Proben rekonstruiert. Im Gegensatz zur Tomographie wird keine Kreisbewegung der Röntgenröhre und des Detektors um die Probe (Medizin) bzw. keine Probenrotation (Technik) ausgeführt. Die Röntgenröhre und der Detektor bewegen sich in zueinander parallelen Ebenen auf gegenüberliegenden Seiten der Probe. Dies ermöglicht die Bewegung der Röhre nah am Bauteil und damit hohe Vergrößerungen.

Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

XRM - Röntgenmikroskopie

G. SCHMAHL ist einer der Wegbereiter für diese Methode. Grundsätzlich sind zwei Grundtypen von Röntgenmikroskopen zu unterscheiden. Die Röntgenschattenmikroskope, welche nach dem einfachen Projektionsprinzip arbeiten, und solche mit fokussierenden optischen Elementen, welche entweder Fresnel-Zonenplatten, Multi-Layer-Laue-Linsen (in Entwicklung) oder refraktive Röntgenlinsen sein können.

Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

EBIC - Electron Beam Induced Current, EBAC - Electron Beam Absorbed Current

Für beide Verfahren ist zwingend ein Rasterelektronenmikroskop notwendig. Beim EBIC erzeugen die in die Probe eindringenden Primärelektronen Elektronen-Loch-Paare, wenn sie auf einen Halbleiter treffen. Beim EBAC entsteht ein Stromfluss durch die vom Primärstrahl stammenden Elektronen, vermindert um die Rückstreu- und Sekundärelektronenemission. Die erzeugten Ströme werden einem hochempfindlichen Verstärker zugeführt und anschließend als Bildsignal in die Videoeinheit des REMs eingespeist. Damit lassen sich elektrische Fehler auf dem Chip lokalisieren.

Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

OBIRCH - Optical Beam Induced Resistivity Change

Diese Methode gehört zu den thermischen Laserstimulationstechniken und wird in der Halbleitertechnik zur Fehlerlokalisierung eingesetzt. An eine leitende Struktur wird eine konstante elektrische Spannung angelegt und der infolgedessen fließende Strom gemessen. Ein Infrarotlaser wird über diese Struktur gerastert und erwärmt sie dabei lokal. Trifft er auf eine Stelle, die auf Grund eines Fehlers einen erhöhten Widerstand aufweist, so steigt letzterer an dieser Stelle weiter an. Dies hat zur Folge, dass sich der Stromfluss durch die Struktur verringert. Die gemessenen Stromwerte werden mit dem Auftreffort des Lasers korreliert und als Punkte unterschiedlicher Helligkeit und Farbe dem infrarotmikroskopischen Bild der Probe überlagert, was eine Fehlerlokalisierung ermöglicht.

Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

EBI - Electron Beam Inspection

Ein EBI-Gerät kommt in der Halbleiterfertigung zum Einsatz. Es ist ein modifiziertes Inline-Rasterelektronenmikroskop. Zur Lokalisierung von Defekten macht man sich das Prinzip des Potenzialkontrastes zunutze. Dabei werden solche Defekte detektiert, die elektrische Fehlfunktionen unterschiedlicher Art aufweisen.

Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

VC - Potenzialkontrast

Für das Verfahren ist ein REM oder besser ein FIB erforderlich. Die durch den Primärstrahl erzeugten elektrischen Ladungen führen zu lokalen Aufladungen auf der Probenoberfläche. Aus positiv geladenen Bereichen können nur sehr wenige Sekundärelektronen die Oberfläche verlassen. Dies führt zu Kontrasten, welche Aussagen über die elektrische Funktion der betreffenden Struktur zulassen. Das Verfahren wird meist in der Halbleiterfertigung zur Lokalisierung elektrischer Fehler benutzt.

Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

LAUE-Verfahren

Die Methode ist historisch gesehen das älteste Röntgenbeugungsverfahren und beruht auf der von M. v. LAUE (Nobelpreis 1914), W. FRIEDRICH und P. KNIPPING 1912 entdeckten Röntgenbeugung an Kristallen. Beim LAUE-Verfahren wird die feststehende, einkristalline Probe mit polychromatischer Röntgenstrahlung (Bremsstrahlung) bestrahlt. Von jeder Netzebenenschar wird jene Wellenlänge selektiert und gebeugt, welche die Bragg‘sche Gleichung erfüllt. Die gebeugten Strahlen erzeugen auf dem Detektor punktförmige Reflexe (LAUE-Spots).

Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

XRD - Röntgenvielkristalldiffraktometrie

Die 1912 von M. v. LAUE (Nobelpreis 1914), W. FRIEDRICH und P. KNIPPING entdeckte Röntgen-beugung an Kristallen wird in einem Diffraktometer technisch umgesetzt. Dabei wird ein mittels Blenden geformter, monochromatischer Röntgenstrahl auf das Untersuchungsgebiet der Probe gerichtet. Die gemäß der Bragg‘schen Gleichung an den interferenzfähigen Netzebenen der Kristallite gebeugte Strahlung wird vom Detektor registriert. Werden bei bekannter Wellenlänge die Beugungswinkel gemessen, bei denen die Reflexe auftreten, so können die entsprechenden Netzebenenabstände errechnet werden und zur Phasenbestimmung herangezogen werden.

Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

KT - KOSSEL-Technik, PKT - Pseudo-KOSSEL-Technik

Beim KOSSEL-Verfahren trifft ein fein fokussierter Elektronenstrahl bzw. ausgeblendeter Röntgenstrahl (besser Synchrotronstrahl) auf ein einkristallines Probengebiet und erzeugt dort innerhalb des Wechselwirkungsvolumens charakteristische Röntgen- bzw. Fluoreszenzstrahlung. Nur ein geringer Anteil der charakteristischen Röntgenstrahlung wird, falls das Untersuchungsgebiet einkristallin vorliegt, an den interferenzfähigen Netzebenen gemäß der Bragg‘schen Gleichung gebeugt. Diese sogenannten Gitterquelleninterferenzen liegen auf geraden Kreiskegeln und erzeugen auf einem in Rückstrahlrichtung angeordneten Detektorsystem die sogenannten KOSSEL-Linien.

Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

RDS - Röntgen-Drehschwenk-Technik

Die Röntgen-Drehschwenk-Technik geht auf eine Idee von H.-J. ULLRICH und W. GREINER aus dem Jahre 1977 zurück und wurde von J. BAUCH weiterentwickelt. Eingestrahlt wird mit einem monochromatischen Röntgenstrahl. Durch ein kombiniertes Dreh- und Schwenkregime von Probe und Detektor werden der obere Halbraum über der Probe nach Beugungspositionen abgetastet und die daraus entstehenden, linienförmigen Beugungsreflexe akkumuliert.

Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

XRR - Röntgenreflektometrie

Auf der Grundlage theoretischer Arbeiten von L. PARRATT entwickelte sich ca. 1985 die Methode der Röntgenreflektometrie. Dabei werden dünne Schichten hinsichtlich Schichtdicke, Dichte und Rauheit untersucht, wobei insbesondere die Totalreflexion und das Eindringvermögen von Röntgenstrahlung eine Rolle spielen. Voraussetzung sind Brechzahlunterschiede zwischen Schicht und Substrat.

Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

XRT - Röntgentopographie

Die Röntgentopographie, welche in einer Vielzahl methodischer und experimenteller Setups existiert, basiert auf der Röntgenbeugung und bildet die Streueigenschaften einer Probe ortskorreliert ab. Auf diese Weise lassen sich ein- bis dreidimensionale Kristallbaufehler (keine nulldimensionalen) bildgebend und - im Falle von „Extended-Beam“-Methoden - auch großflächig abbilden.

Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

SAXS - Röntgenkleinwinkelstreuung

Die Röntgenkleinwinkelstreuung ist eine zerstörungsfreie Methode zur Analyse von mikroskopischen und insbesondere nanoskopischen Probeninhomogenitäten mit einem breiten werkstoffwissenschaftlichen Untersuchungsspektrum. Sie ist eine Standardmethode der Soft-Matter-Physik geworden, nachdem O. KRATKY 1957 seine nach ihm benannte Kamera vorgestellt hatte.

Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

EBSD - KIKUCHI-Beugung

Das Verfahrensprinzip zur Herstellung von EBSD-Aufnahmen (S. KIKUCHI 1928) erfordert einen Punktstrahl sowie eine ebenfalls raumfest angeordnete, in Detektorrichtung meist um 70° geneigte Probe. Quasielastisch gestreute Elektronen, die unter dem Bragg‘schen Winkel auf die Netzebenen der Probe treffen, werden von diesen reflektiert und beschreiben einen weit geöffneten Kegel. Als Projektion der Kegel auf die Detektorebene erscheinen die EBSD-Linien.

Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

NBD - Nano-Elektronenbeugung

C.J. DAVISSON und L.H. GERMER sowie G.P. THOMSON führten unabhängig voneinander erste grundlegende Experimente zur Elektronenbeugung durch. Diese ist heute unter der Bezeichnung "Transmission Electron Diffraction" eine Standardmethode in der Transmissionselektronenmikroskopie. Eine hochauflösende Spielart des Verfahrens ist die Nano-Elektronenbeugung. Dabei wird ein im TEM quasiparallel kollimierter Elektronenstrahl mit einem typischen Durchmesser von 5 nm über die Probe geführt. Auf diese Weise werden Beugungsbilder aufgenommen und für jede Position gespeichert.

Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

EDX - Energiedispersive Röntgenspektroskopie

EDX ist neben WDX eine Methode der Elektronenstrahlmikroanalyse, welche die von einem Festkörper infolge eines Elektronenbeschusses emittierten charakteristischen Röntgenstrahlen nutzt, um die darin enthaltenen Elemente qualitativ und quantitativ zu bestimmen.

Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

WDX - Wellenlängendispersive Röntgenspektroskopie

WDX ist neben EDX eine Methode der Elektronenstrahlmikroanalyse. Sie nutzt die von einem Festkörper infolge eines Elektronenbeschusses emittierten charakteristischen Röntgenstrahlen, um die darin enthaltenen Elemente qualitativ und quantitativ zu bestimmen. Die auf die Probe treffenden Primärelektronen regen die charakteristische Röntgenstrahlung aller im Untersuchungsvolumen enthaltenen Elemente an. Diese wird sequentiell für jede einzelne Wellenlänge mittels Spektrometerkristallen analysiert und einem entsprechenden Element zugeordnet.

Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

ED-RFA / WD-RFA - Röntgenfluoreszenzanalyse

Die Röntgenfluoreszenzanalyse ist eine zerstörungsfreie Methode zur qualitativen und/oder quantitativen Multielementanalyse, deren Entwicklung auf Arbeiten von R. GLOCKER und G. v. HEVESY in den 1920er Jahren zurückgeht. Sie nutzt die von einem Festkörper infolge der Anregung mit polychromatischer Röntgenstrahlung emittierte Fluoreszenz.

Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

TXRF - Totalreflexions-Röntgenfluoreszenzanalyse

Die Totalreflexions-Röntgenfluoreszenzanalyse ist eine energiedispersive, zerstörungsfreie Methode zur Multielementanalyse; in der Halbleiterindustrie typischerweise zur Bestimmung von Metall-kontaminationen auf Waferoberflächen genutzt. Dabei trifft die zur Fluoreszenzanregung verwendete, monochromatische und parallelisierte Röntgenstrahlung unterhalb des Grenzwinkels der Totalreflektion auf die Probenoberfläche bzw. einen optisch polierten Probenträger. Die Fluoreszenzstrahlung des Probenmaterials wird energiedispersiv detektiert und Elementen zugeordnet.

Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

XPS - Röntgenphotoelektronenspektroskopie

Das physikalische Prinzip der XPS beruht auf dem äußeren photoelektrischen Effekt. Durch Bestrahlung der Probenoberfläche mit elektromagnetischen Wellen (hier monochromatischer Röntgenstrahl mit variabler Spotgröße), deren Energie größer als die Austrittsarbeit der Probe ist, werden Elektronen aus besetzten Anfangszuständen ins Vakuum emittiert und es entsteht ein ionisierter Endzustand. Aus oberflächennahen Bereichen der Probe werden diese Photoelektronen emittiert und energiedispersiv detektiert.

Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

EXAFS / XANES - Röntgenabsorptionsspektroskopie

Röntgenabsorptionsspektren zeigen auf einem stetig abfallenden Untergrund bei elementspezifischen Energien Stufen, an denen der Absorptionskoeffizient abrupt ansteigt. Ursache hierfür ist, dass nur Röntgenphotonen mit einer Energie, die höher ist als die Bindungsenergie eines Elektrons, absorbiert werden können. Dabei wird das Elektron bis ins Kontinuum angeregt und verlässt das Absorberatom als Photoelektron. Spezielle Bereiche eines Röntgenabsorptionsspektrums eignen sich sehr gut für “Fingerprint”-Analysen.

Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

AES - AUGER-Elektronenspektroskopie

P. AUGER entdeckte 1926 den nach ihm benannten Auger-Effekt. Dabei handelt es sich um einen strahlungslosen Übergang in der Elektronenhülle eines Atoms. Infolge eines Primärelektronenbeschusses werden sogenannte Augerelektronen emittiert, deren Energie für jedes Element charakteristisch ist. Damit lassen sich qualitative und quantitative Elementanalysen durchführen.

Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

EELS - Elektronenenergieverlustspektroskopie

Elektronen mit Energien von ca. 10 bis zu einigen 100 keV können sehr dünne Proben (< 100 nm) durchdringen und erleiden zum Teil durch inelastische Streuung an den Elektronenhüllen spezifische Energieverluste, welche von der Zusammensetzung, von der Kristallstruktur und von den Bindungsverhältnissen im Festkörper abhängen. Die Spektren werden mit einem hochempfindlichen Verstärker aufgezeichnet und lassen Schlüsse auf Zusammensetzung und Struktur der Probe zu.

Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

SIMS - Sekundärionen-Massenspektrometrie

Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) ist eine Technik zur Analyse der Zusammensetzung von festen Oberflächen und dünnen Schichten. Das Verfahren zeichnet sich durch eine hohe Empfindlichkeit beim Nachweis von Spurenelementen in Festkörpern bis in den ppb-Bereich bei einer lateralen Auflösung im μm-Bereich aus.

Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

LEIS, MEIS - Ionenstrahlspektroskopie

Die Analyse erfolgt durch den Beschuss der Oberfläche einer sich im Vakuum befindenden Probe mit Ionen. Die Primärionen werden an den Atomen der obersten Monolage bzw. an den oberen Atomlagen gestreut. Durch den Nachweis der Ionen unter einem bestimmten Winkel zur Beschussrichtung und die Messung der Energie der gestreuten Ionen lässt sich auf die Masse des Atoms schließen, an dem die Streuung stattgefunden hat.

Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

RBS - RUTHERFORD-Rückstreu-Spektrometrie

Diese Methode beruht auf der elastischen Streuung von hochenergetischen Ionen am Coulomb-Potenzial der Atomkerne des zu untersuchenden Targetmaterials. Protonen oder Alphateilchen mit Energien im MeV-Bereich dringen in die oberflächennahen Schichten der Probe ein. Treffen sie auf ein Atom, werden sie an dessen Kern elastisch mit einer Energie zurückgestreut, die allein von der Masse des Projektils, der des Targetatoms und dem Rückstreuwinkel abhängt. Damit lassen sich Elemente in oberflächennahen Schichten zerstörungsfrei nachweisen.

Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

RS - RAMAN-Spektroskopie

Unter Raman-Streuung versteht man die unelastische Streuung von Licht an Molekülen. Der Effekt wurde 1923 von A. SMEKAL vorausgesagt und 1928 durch C.V. RAMAN entdeckt. Das Raman-Spektrum entsteht durch die Wechselwirkung von monochromatischem Licht mit den Molekülen der Probe. Die Energiedifferenz zwischen eingestrahltem und gestreutem Photon wird üblicherweise als „Raman-Shift“ bezeichnet und aufgezeichnet.

Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

GDOES - Optische Glimmentladungsspektroskopie

Das Verfahren nutzt eine spezielle Geometrie einer Glimmentladungsquelle. Diese Anordnung geht auf ein Patent von W. GRIMM aus dem Jahr 1967 zurück. Prinzipiell zerstäubt man die zu analysierende, elektrisch leitende Probe durch einen Sputterprozess mit Atomen und Ionen aus einem Gleichstrom-Glimmentladungsplasma. Dadurch wird die Probe schichtweise abgetragen. Gleichzeitig werden die abgesputterten Atome und Ionen im Plasma energetisch angeregt. Bei der Rückkehr in den Grundzustand wird ein charakteristisches Lichtspektrum emittiert, welches spektroskopisch analysiert wird.

Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

FTIR - Fouriertransformierte IR-Spektroskopie

Die FTIR-Spektroskopie geht auf erste Versuche von R.W. WOOD und H. RUBENS 1911 zurück und wurde von Lord RAYLEIGH und P.B. FELLGETT wesentlich verbessert. FTIR nutzt im Gegensatz zu dispersiven spektroskopischen Methoden nicht die schrittweise Änderung der Wellenlänge zur Aufnahme des Spektrums, sondern erfasst alle Frequenzkanäle gleichzeitig und liefert durch sukzessives Verstellen des beweglichen Spiegelarms in einem Interferometer nach A.A. MICHELSON ein Interferogramm.

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VASE - Winkelvariierende Spektroskopische Ellipsometrie

Die Ellipsometrie ist ein optisches Messverfahren zur Analytik von Oberflächen und oberflächennahen Schichten. Gemessen wird die Änderung des Polarisationszustandes von Licht einer Wellenlänge oder eines ganzen Spektralbereiches bei Reflexion oder Transmission an der Oberfläche einer Probe, wobei eingangsseitig im Regelfall linear oder zirkular polarisiertes Licht zum Einsatz kommt, das nach der Reflexion elliptisch polarisiert vorliegt.

Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

DTA - Differenz-Thermoanalyse

Bei der DTA wird eine Probe zusammen mit einer Referenzsubstanz in einer symmetrischen Messkammer einem definierten Temperaturprogramm unterworfen und anschließend ebenfalls mit einem kontrollierten Temperaturprogramm wieder abgekühlt. Unter beiden Probenbehältern werden Thermoelemente platziert, womit die Temperaturdifferenz sehr genau gemessen wird. Damit lassen sich Phasenumwandlungen aber auch chemische Reaktionen untersuchen.

Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

DSC - Dynamische Differenzkalorimetrie

Die DSC ist eine Weiterentwicklung der Differenz-Thermoanalyse. Auch hier wird eine Probe zusammen mit einer Referenzsubstanz in einer symmetrischen Messkammer einem definierten Temperaturprogramm unterworfen und anschließend mit einem ebenfalls kontrollierten Temperaturprogramm wieder abgekühlt. Der wesentliche Unterschied jedoch besteht darin, dass sich durch eine geeignete Geometrie beim Kammeraufbau und der Anordnung der einzelnen Bestandteile die Wärmeströme zwischen Ofen und Probe sowie zwischen Ofen und Referenz kalibrieren lassen. Damit lässt sich eine Vielzahl kalorische Stoffgrößen genau bestimmen.

Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

US - Ultraschall-Impuls-Echo-Verfahren

Beim Impuls-Echo-Verfahren sendet meist ein Sende-Empfangs-Prüfkopf US-Impulse in die Probe. Die Monitordarstellung startet synchron in der linken, unteren Bildschirmecke mit dem Sendeimpuls. Schallwellen, die wieder vom Prüfkopf empfangen werden, erzeugen die Echos auf dem Bildschirm. Nach Eichung wird so jedem Echo der Schallweg zugeordnet und die Lage der Ungänze bestimmt.

Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

SAM - Ultraschallmikroskopie

Die Ultraschallmikroskopie ist ein bildgebendes und zerstörungsfreies Verfahren, welches mit Ultraschall im Frequenzbereich von 1 MHz bis 2 GHz arbeitet. Mit einem piezoelektrischen Schallkopf wird ein kurzer Ultraschallimpuls in die Probe geschickt. An Inhomogenitäten, Einschlüssen oder Grenzflächen kann die Ultraschallwelle absorbiert, gestreut oder reflektiert werden. Ein Teil des reflektierten Signals gelangt zum Transducer zurück, welcher jetzt umgeschaltet wird und als Detektor fungiert. Charakteristisch für die Probe sind die Amplitude, Phase und Laufzeit des reflektierten Signals, welche in der elektronischen Verstärker- und Auswerteeinheit sehr präzise erfasst und mit einem PC geeignet dargestellt werden.

Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

EC - Wirbelstromtechnik

Die physikalischen Grundlagen der Methode wurden von H.C. OERSTED, M. FARADAY und J.C. MAXWELL im 19. Jh. gelegt. Ein durch eine Primärspule fließender Wechselstrom erzeugt ein magnetisches Wechselfeld, wodurch nach dem Aufsetzen auf die leitende Probe in dieser Wirbelströme induziert werden. Die Wirbelströme erzeugen selbst ein magnetisches Gegenfeld, dessen defektinduzierte Veränderungen (Risse usw.) über eine Impedanzmessung mittels einer zweiten Spule registriert und auf einem Display zur Anzeige gebracht werden.

Jürgen Bauch, Rüdiger Rosenkranz

VSM - Vibrationsmagnetometer

Die Probe wird an einer langen Spindel befestigt, die in ein durch Elektromagnete erzeugtes homogenes Magnetfeld mit der Feldstärke H abgesenkt wird. Dieses Feld magnetisiert die Probe. Mittels Vibrator (meist Piezo-Element) werden Probenhalter und Probe zu periodischen Schwingungen längs der Vibrationsrichtung mit konstanter Frequenz angeregt. Durch die Bewegung kann das magnetische Dipolmoment der Probe über die induzierte Spannung in den räumlich nah angeordneten Sondenspulen gemessen werden. Damit lassen sich z.B. Hysteresekurven ermitteln.

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