Erstmals Wasserstoff in Diamantschichten analysiert

Garchinger Forscherteam entwickelt neues Mikroskopieverfahren

Wasserstoff kommt in fast allen organischen wie auch in zahlreichen anorganischen Stoffen vor. Als leichtestes aller Elemente ist er allerdings selbst mit Röntgenstrahlen oder unter dem Elektronenmikroskop nur schwierig abzubilden. Ein Team von Physikern um Prof. Günther Dollinger am Lehrstuhl für Experimentalphysik (Prof. Reiner Krücken) der TU München in Garching entwickelte ein neuartiges Mikroskopieverfahren zur Materialanalyse, mit dem räumliche Wasserstoffverteilungen in mikrostrukturierten Proben erstmals dreidimensional dargestellt und analysiert werden konnten. Über die Ergebnisse wurde kürzlich im Wissenschaftsjournal Science berichtet. *)

Das Verfahren basiert auf der elastischen Streuung hochenergetischer Protonen am Rasterionenmikroskop SNAKE (Supraleitendes Nanoskop für Angewandte Kernphysikalische Experimente), das im Beschleunigerlaboratorium der LMU und TUM in Garching installiert wurde. Es funktioniert ähnlich einem Billardspiel: Trifft ein Proton auf ein Wasserstoffatom, so werden beide Teilchen elastisch gestreut – analog dem Stoß zweier Billardkugeln. Beide Teilchen sind gleich schwer und fliegen – wie bei Billard – in einem Winkel von 90 Grad auseinander. Beim Aufprall unterschiedlich schwerer Teilchen treten aber andere Winkel auf. Die Winkel zwischen den Flugbahnen der einzelnen Teilchen lassen sich in einem Detektor feststellen. Werden also 90 Grad-Winkel gemessen, so kann man zweifelsfrei auf die Streuung eines Protons an einem Wasserstoffatom schließen. Anhand der Anzahl der registrierten Streuereignisse errechnet man den Wasserstoffgehalt der Probe an der jeweiligen Stelle, die vom Ionenstrahl getroffen wurde. Zusätzlich kann aus einer Geschwindigkeitsmessung der nachgewiesenen Protonen auf die Tiefe zurück geschlossen werden, in der die Streuung stattgefunden hat. Das Ergebnis ist ein dreidimensionales Abbild der Wasserstoffverteilung.

Mit der neuen Mikroskopiemethode konnten die Forscher die Verteilung von Wasserstoffverunreinigungen in künstlich hergestellten Diamantschichten messen und deren Einfluss auf die Materialeigenschaften diskutieren. Diamant ist in vielerlei Hinsicht anderen Materialien deutlich überlegen. Trotz hervorragender elektronischer Eigenschaften ist die derzeit verfügbare Qualität für viele technologische Anwendungen, insbesondere für den Einsatz in der Elektronik, jedoch nicht ausreichend. Hauptgrund hierfür sind Wasserstoffverunreinigungen und Defekte im Kristallgitter der Diamantschichten, die bei der Abscheidung in den verschiedenen Schichten entstehen.

Reiner Diamant besteht zu 100 Prozent aus Kohlenstoff und wird in Niederdruckverfahren abgeschieden. Eine der Hauptverunreinigungen in so hergestellten Diamantschichten ist Wasserstoff. Die untersuchte Diamantschicht ist polykristallin, d.h. sie besteht aus nur wenigen Mikrometer großen Diamantkristalliten, die miteinander verwachsen sind. Die Messungen ergaben, dass sich Verunreinigungen im wesentlichen an den Oberflächen und Grenzbereichen der Diamantkristallite befanden. In den Kristalliten selbst konnte kein Wasserstoff nachgewiesen werden.

Als die Experimente am Garchinger Tandem-van-de-Graff-Beschleuniger durchgeführt wurden, war das Wissenschaftlerteam noch komplett an der Fakultät für Physik der TU München. Prof. Dollinger ist mittlerweile einem Ruf an die Universität der Bundeswehr München gefolgt. Dr. Patrick Reichart, der mit der Entwicklung der Wasserstoffmikroskopie promovierte, ist inzwischen an einem Forschungszentrum in Melbourne, Australien, tätig.

(*) P. Reichart, G. Datzmann, A. Hauptner, R. Hertenberger, C. Wild, G. Dollinger, Science 306 (2004) 1537.