Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-3921
Rosenfeld, R
Untersuchungen zum atomaren Aufbau aperiodischer Objekte mittels Objektwellenrekonstruktion in der hochauflösenden Elektronenmikroskopie
II, 189 S., 2001
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der quantitativen Ermittlung der Mikrostruktur aperiodischer Objekte auf atomarer Skala mittels Objektwellenrekonstruktion. Bei der Objektwellenrekonstruktion handelt es sich um eine Methode, bei der die komplexwertige Wellenfunktion an der Unterseite des untersuchten Objekts aus einem Satz hochauflösender transmissionselektronenmikroskopischer Abbildungen rekonstruiert wird. Die theoretischen Grundlagen der zugrunde liegenden Algorithmen (Paraboloid- und Maximum-Likelihood-Methode) sowie deren praktische Umsetzung in ein handhabbares Rechenverfahren werden ausführlich beschrieben. Die atomare Struktur im Kern einer Partialversetzung an einer InAs/GaAs-Grenzfläche wurde erstmals modellfrei ermittelt. Bei der Partialversetzung handelt es sich um eine 30°-Shockley-Partialversetzung mit der Stufenkomponente des Burgersvektors von bSt=1/12[112] (Projektion in [110]-Richtung), die sich am Ende eines Stapelfehlers befindet. Es wurde gezeigt, daß in dieser Projektion der Stapelfehler wie in der Modellvorstellung angenommen in einer einzelnen Atomsäule endet. Die atomare Struktur eines ikosaedrischen Al-Pd-Mn-Quasikristalls wurde zum ersten Mal mit einer Auflösung von 0,135nm ermittelt. Dabei wurden die atomaren Positionen innerhalb der strukturbildenden Pseudo-Mackay-Cluster aufgeklärt, wobei Kanäle solcher praktisch ungestört übereinander liegenden Cluster nachgewiesen wurden. Die atomare Struktur eines Zwillingskorngrenzensystems in einem BaTiO3-Film konnte aufgeklärt werden. Dabei wurde die aus [Sigma]3- und [Sigma]27-Segmenten bestehende höchst komplexe Korngrenzenstrukur mehrerer Nanozwillingslamellen mit atomarer Auflösung ermittelt, wobei besetzte und halbbesetzte Atomsäulen identifiziert wurden. Auf dieser Grundlage konnte zum ersten Mal ein Strukturmodell dieses Defekts aufgestellt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein wesentlicher Beitrag zur Aufklärung eines in der quantitativen Elektronenmikroskopie ungelösten Problems, nämlich der Diskrepanz zwischen experimentellem und berechnetem Bildkontrast geleistet. Es wurde gezeigt, daß die fehlerhafte Modellierung des Abbildungsprozesses die Ursache für die Kontrastdiskrepanz zwischen experimentellen und berechneten Abbildungen sein muß.
The structure of aperiodic objects is investigated on an atomic scale by exit-plane wave reconstruction. By this method the complex-valued exit-plane wavefunction is retrieved using a set of high-resolution transmission electron microscopy images. The theory of the underlying algorithms (paraboloid method and maximum-likelihood method) is presented in detail. The atomic core structure of a partial dislocation in an InAs/GaAs grain boundary was directly identified for the first time. The 30°-Shockley partial dislocation with edge component of the Burgers vector bSt =1/12[112] (projection in [110] direction) is located at the end of a stacking fault. It was shown that in this projection the stacking fault ends in a single atom column, which is in agreement with theory. The atomic structure of icosahedral Al-Pd-Mn quasicrystals was determined for the first time with a resolution of 0.135 nm. The atomic positions within Mackay-type clusters were identified. The existence of columnar arrangements of clusters, whose projections barely interfere with those of other clusters, was proved. The atomic structure of a multiple-twin-lamella junction in a BaTiO3 has been investigated. At the intersection of four nanotwins the complicated grain boundary structure with a mixture of [Sigma]=3 and [Sigma]=27 segments were resolved. Occupied and partially occupied atom columns were identified. On that basis a structure model of this defect was proposed. A substantial contribution is made to the understanding of a still unsolved problem in quantitative high-resolution transmission microscopy, that is the discrepancy between the contrast of experimental and simulated images. It is shown that the faulty description of the imaging process is the source of the contrast discrepancy.
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