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Photoelektronenbeugung (XPD)

Die Technik der Photoelektronenbeugung wird zur Oberflächenstrukturbestimmung auf atomarer Ebene seit ca. 25 Jahren genutzt. Diese Beugungstechnik basiert auf der Tatsache, daß die photoemittierten Elektronen elastisch von den Nachbaratomen des Emitters gestreut werden und der gestreute mit dem ungestreuten Anteil der Elektronenwelle zu einem Beugungsmuster interferieren.

Photoelektronenbeugung

Die Information, die im Beugungsmuster der Photoelektronen enthalten ist, läßt sich als Funktion des Winkels und/oder der Energie aufnehmen. In der Vergangenheit wurden zwei Meßmethoden, die die Beugungsmuster zur Aufnahme von Strukturinformationen benutzen, entwickelt. Entweder wird der Beobachtungswinkel bei fester kinetischer Energie (engl.: scanned-angle XPD) oder es wird die Photonenenergie bei festem Winkel (engl.: scanned-energy XPD) geändert. Für die zweite Methode sind möglichst viele unterschiedliche Photonenenergien, die sich über einen Bereich von ca. 1000 eV erstrecken, nötig (—> Synchrotron erforderlich).

Angle scanned

Die Photoelektronenbeugung bietet alle Vorteile der Photoelektronenspektroskopie, da die Intensität aus  den Photoelektronenspektren bestimmt wird. Für die Photoelektronenbeugung ergibt sich daraus die bekannte hohe  Oberflächenempfindlichkeit und Elementspezifität der Photoelektronenspektroskopie. Zusätzlich werden durch die Beugungsprozesse Informationen über die atomare Umgebungsstruktur des Emitters geliefert. Aufgrund dieser Eigenschaften bietet sich die Photoelektronenbeugung für die Strukturbestimmung bei Schicht- und Adsorbatsystemen an. Die Photoelektronenintensität als Funktion des Beobachtungswinkels oder der kinetischen Energie  läßt sich unter Annahme eines Strukturmodells berechnen. Häufig variiert man das Strukturmodell mehrfach um die berechneten an die gemessen Ergebnisse anzugleichen und kann so Rückschlüsse auf die Struktur des beobachteten System ziehen.

Die Rechnungen können im Einfachstreuformalismus (SSC: engl. single-scattering cluster) erfolgen, bei dem man annimmt, daß ein emitiertes Elektron nur einmal gestreut wird und dann den Kristall verläßt. In den weitaus aufwendigeren Mehrfachstreuverfahren (MSC: engl. multiple-scattering)  wird nach der Anzahl an Streuereignissen entwickelt. Die Mehrfachstreuung wird heute von den meisten Arbeitsgruppen zur Strukturbestimmung verwendet. 

Ein wichtiger Effekt ist die Vorwärtsstreuung  von Photoelektronen mit kinetischen Energiengrößer als 300eV. In Abbildung 3 sind sind die berechneten Streuamplituden von Nickel in Abhängigkeit vom Streuwinkel und der Energie aufgetragen. Man erkennt das bei Energie unter 200eV für nahezu alle Richtungen eine nicht zu vernachlässigende Streuamplitude vorhanden ist, die in Vorwärts- und Rückwärtsstreurichtung ein Maximum hat. Bei größeren Energien hat die Streuamplitude nur ein starkes Maximum in Vorwärtsrichtung mit einer Halbwertsbreite von wenigen Grad, so daß die Elektronenintensität in der Richtung der Verbindungsachse Emitter-Streuer wesentlich größer ist als in jene Richtungen ohne Streuer. In diesen Richtungen erhält man also Maxima in den Photoelektronenbeugungsmustern, aus denen man die Bindungsrichtung ablesen kann.

xpd_streufaktor