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Frank Heyroth
Röntgentopographischer Kontrast im Dreistrahlfall der Interferenz
Dissertation (2000),

Die Röntgentopographie ist eine etablierte Methode zum zerstörungsfreien Nachweis und zur Identifikation von Kristallbaufehlern. Sie ermöglicht die Abbildung kleinster Gitterverzerrungen über eine Fläche von mehreren Quadratzentimetern. Zur Abbildung in der Topographie werden, wie auch sonst bei den Untersuchungen mit Röntgenbeugung, im allgemeinen Zweistrahlfälle verwendet. Der Zweistrahlfall ist die einfachste Approximation für das räumliche Interferenzphänomen der Beugung. Hierbei wird davon ausgegangen, dass im Kristall nur zwei Wellenfelder (je Polarisationsrichtung) angeregt werden. Die reale Wechselwirkung zwischen Röntgenstrahl und Kristall ist aber ein Vielstrahlfall. Ein erster Schritt zum Verständnis dieses allgemeinen Falls ist die Untersuchung des Dreistrahlfalls. Von einer Beugung im Dreistrahlfall spricht man, wenn (neben dem Ursprung) gleichzeitig zwei reziproke Gitterpunkte (primärer und sekundärer) auf oder nahe an der Ewaldkugel liegen. Dann breiten sich im Kristall drei starke, miteinander gekoppelte Wellenfelder aus. Zielstellung der vorliegenden Arbeit war die erstmalige systematische Untersuchung des Kontrastes in der Röntgentopographie bei Anregung eines Dreistrahlfalls der Interferenz in Laue-Laue Beugungsgeometrie. Dazu wurden mit Synchrotronstrahlung hochauflösende Topographien in verschiedenen Dreistrahlfällen angefertigt und interpretiert. Im ersten Teil der Arbeit wurde die Kontraständerung in den Pendellösungsstreifen von Schnitt-Topographien (der Querschnitt des Primärstrahl ist in einer Dimension stark eingeengt) am Beispiel planparalleler Siliziumkristalle untersucht. Die erhaltenen Kontrastphänomene konnten auf Basis der dynamischen Theorie erklärt werden. Es zeigte sich, dass die Anwendung des Modellbildes der Dispersionsfläche im reziproken Raum auf Dreistrahlfälle übertragen werden kann und eine anschauliche Möglichkeit zur Interpretation der Kontraste in der Umgebung des geometrischen Dreistrahlpunktes liefert. Wichtig für die Interpretation der Topogramme war neben der Analyse des Verlaufs der gesamten Dispersionsfläche auch die Verwendung von effektiven Größen, die den Dreistrahlfall als Störung des Zweistrahlfalls beschreiben. Am Beispiel des effektiven Strukturfaktors konnte gezeigt werden, daß sich damit die Kontrasteffekte des Zweistrahlfalls parametrisiert direkt auf den Dreistrahlfall übertragen lassen. Schränkt man die Ausdehnung des einfallenden Strahles horizontal und vertikal auf einen Punkt (von etwa 30 x 30 µm²) ein, entfällt im Topogramm die Integration der Intensität über den Primärstrahl entlang der Spaltöffnung aus den Schnitt-Topographien. Mit dieser neuen Art der Pinhole-Topographie war es erstmals möglich, den Energiestrom im Dreistrahlfall vollständig aufzuzeichnen. Da die Dispersionsfl?che stets senkrecht zum Energiestrom im Kristall verläuft, sind die Pinhole-Topographien gleichzeitig auch ein Abbild der Dispersionsfläche. Parallel zu den Effekten im perfekten Kristall wurde auch der Einfluß von Kristalldefekten auf den Kontrast im Dreistrahlfall am Beispiel von Versetzungen und Stapelfehlern in Silizium untersucht. In den Schnitt-Topographien einer Einzelversetzung konnte zum ersten Mal der Intensitätstransfer über die Umwegwelle direkt experimentell sichtbar gemacht werden, und an Hand von Extended-Beam Topographien wurde nachgewiesen, dass durch diesen Intensitätstransfer die Kontrastregeln des Zweistrahlfalls bei einer Dreistrahlinterferenz nicht mehr gültig sind.

Keywords: Topographie, Dreistrahlfall, dynamische R?ntgenbeugung, Umweganregung, Dispersionsfläche, effektiver Strukturfaktor
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