Beschreibung

Die Erfindung geht aus von einem Goniometer gem. dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Solche Goniometer sind zur Strukturanalyse von kristallinen Materialien bekannt. Normalerweise werden die Gitter konstante, die Kristallorientierung (bei vielen Materialien die Textur) bestimmt. Bevorzugte Strahlung ist die Röntgenstrahlung der KarLinien von Kupfer, Molybdän und anderen Metallen. Die dazu verwendeten Goniometer bestehen aus einer Strahlen¬ quelle, einem um drei Achsen schwenkbaren Probentisch, auf dem die Probe befestigt ist und einem auf einem Arm befestigten Detektor, mit dem die Teile des Raumes abgetastet werden können, in denen Reflexe zu erwarten sind.

Aus der Veröffentlichung "X-ray Standing wave technique - Application to the study of surfaces and interfaces" von C. Malgrange and D. Ferret in Nuclear instruments and Methods in Physics Research A 314 (1992) S. 285 - 296, North-Holland, ist ein Verfahren bekannt, mit dessen Hilfe die Lokalisierung von Atomen in Kristallen und auf Kristallflächen bestimmt werden kann. Dabei wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, daß bei Bragg-Reflexionen stehende Wellen entstehen, welche zu einer starken Anregung von Fluoreszenzstrahlung der dem Gitter an- oder eingelagerten Atome führt.

Die Variation der Fiuoreszenzintensität in Abhängigkeit von der Winkel¬ position innerhalb des Bragg-Bereiches erlaubt es, eine Raumkoordinate des

Fremdatoms zu bestimmen. Aus drei linear unabhängigen Bragg-Reflexen erhält man die drei Raumkoordinaten des Fremdatoms und damit eine genaue Lokalisierung im Wirtsgitter.

In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, daß es schwierig ist, al le drei Raumkoordinaten der Fremdatome zu bestimmen. Der Grund liegt häufig in apparativen Gegebenheiten. Die Probe muß um drei Achsen im Raum drehbar sein, damit nicht nicht koplanare Netzebenen zur Reflexion gebracht werden. Die beim Durchfahren einer Rocking-Kurve auftretende Fluoreszenzstrahlung ist häufig sehr schwach, so daß der energiedispersive Detektor zur Registrierung dieser Strahlung an die Probenoberfläche nahe herangebracht werden muß.

Die in Frage kommenden Detektoren, das sind mit flüssigen N2 gekühlte SI( LI) oder Ge(Li)-Halbieiterdetektoren sind voluminös und schwer. Sie können daher wegen der räumlichen Überschneidung der einzelnen Detektoren nicht nahe genug an die Probe herangebracht werden.

Die für dieses Verfahren benutzte Apparatur ist aber umständlich in der Bedienung und nutzt nicht den ganzen zur Verfügung stehenden Raum¬ winkel für die Detektoren aus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Goniometer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so zu gestalten, daß es handlich, leicht bedienbar und schnell betriebsbereit ist. Die Funktionen sollen leicht zu steuern und der gesamte zur Verfügung stehende Raumwin kelbereich durchfahrbar sein. Außerdem war für eine effektive und platzsparende Kühlung der Detektoren Sorge zu tragen.

Diese Aufgabe wird gem. der Erfindung mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Der Gegenstand des Anspruchs 1 weist die Vorteile auf, daß insbesondere der Fluoreszenzdetektor mit Hilfe eines raumsparenden leichten Kühl- aggregats, welches auch beweglich gestaltet ist, mit dem Goniometerarm, auf welchem der Fiuoreszenzdetektor befestigt ist, mitgeführt werden kann. Dieser Kühler benötigt keine Nachfüllgefäße für das Kühlmedium und ist sofort betriebsbereit. Außerdem paßt er sich auch einer kleinen Detek-

torstirnf lache an und ermöglicht es damit, nahe an die Probe heran¬ zugehen.

Die Erfindung eignet sich auch für die Strukturbestimmung adsorbierter Monolagen von Atomen an einkristallinen Gitterebenen. Das Verfahren ermöglicht es, alle drei Raum ooridnaten der fluoreszierenden Atome zu bestimmen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands des Anspruchs 1 sind in den Unteransprüchen angegeben. Dadurch ist es möglich, in einem oder höchstens zwei Durchgängen den gesamten Raumwinkelbereich für die Bragg-Streuung und Fluoreszenzstreung zu erfassen. Dabei sind Umbauten am Goniometer auf ein Minimum beschränkt, weil höchstens eine Verschie¬ bung des Fluoreszenzdetektors erforderlich ist, um den vom Fluores- zenzdetektor abgeschatteten Bereich nun auch vom Bragg-Detektor zu erfassen.

Durch Verkleinerung der Strahlungsdetektoren läßt sich folgendes er¬ reichen: Durch weitgehende Reduzierung an Volumen und Gesicht wird es möglich, den Detektor mit der Probe auf der um drei Achsen drehbaren Probenhalterung zu befestigen und damit den Detektor nahe an die zu untersuchende Oberfläche heranzubringen.

Die Verkleinerung betrifft in erster Linie das Kühlaggregat. Kleine elektrisch angetriebene Kühlgeräte, wie z. B. nach der Stirling-Prinzip arbeiten, sind wegen ihrer geringen Baugröße besonders vorteilhaft. Eine Versorgung mit flüssigem N2 entfällt. Der Halbleiterdetektor ist mit Vorverstärker auf einem Kühlfinger montiert. Ein Vakuummantel zur Kälteisolation enthält ein Eintrittsfenster für die Strahlung.

Wegen der geringen Halbwertsbreite der Rocking-Kurve von fast perfekten Einkristallen können nur hochauflösende Röntgen goniometer verwendet werden. Da die Probe im Raum orientiert werden muß, kommt als Gonio¬ meter vorzugsweise das Vierkreisgoniometer zum Einsatz. Ein geeigneter Detektor kann nun an einer der drei Achsen der Probenhalterung befestigt werden, entsprechend den Erfordernissen der Messungen. Die flexibelste Lösung ist wohl eine Befestigung am Chi-Kreis eines solchen Gifffrak- tiometers. Bei einer Bewegung der Probe bleibt der Detektor in definierter

Lage bezüglich der Oberfläche der Probe. Auch wird bei dieser Anordnung die Beugungsgeometrie am wenigstens beeinflußt. Eine Vorrichtung zum Einstellen des Abstandes der Probenoberfläche vom Detektor ist vor¬ zusehen. Auch eine Befestigung des Detektors an der Phi- oder Theta- Achse ist vorteilhaft. Der Detektor muß jedoch bei Bewegung der Probe u. U. umgesetzt werden.

Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhil¬ fenahme der Zeichnung erläutert. Die Zeichnung zeigt ein Goniometer, welches nach der Erfindung modifiziert ist. Die Probe 3 ist auf dem Probentisch 4 befestigt und kann in drei Achsen relativ zum hier von rechts einfallenden Strahl geschwenkt werden.

In üblicher Weise ist ein Bragg-Detektor 6 vorgesehen, weicher auf einem Arm 5 beweglich ist und den zur Verfügung stehenden Raum abtastet. Dies geschieht vorzugsweise computergesteuert mit Hilfe von Schrittmotoren und Winkeidecodierung. Der Fluoreszenzdetektor 2 ist mit der ersten Stufe des Vorverstärkers auf einem Kühlfinger 7 befestigt, welcher von einem Kompressor 8 mit dem Kühlmedium versorgt wird. Der Fluoreszenzdetektor 2 ist mit seinem Halter 1 am Probentisch 4 (Phi-Kreis) derart befestigt, daß er mit dem Probentisch mitgeschwenkt wird. Der in dem Halter 1 befestigte Detektor 2 ist mit seiner Oberfläche vorzugsweise parallel zur Probe 3 ausgerichtet und so nahe wie möglich an diesen herangebracht. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird durch Verschieben des Fluoreszenzdetektors 2 in Richtung der Pfeile (s. Figur) der Abstand von der Probe 3 möglichst klein gewählt und den Einstrahl- und Abstrahl¬ winkeln angepaßt, damit die Strahlung die Probe erreichen und von dort in den Bragg-Detektor 6 gelangen kann.

Der Fluoreszenzdetektor 2 stört u. Um. den Meßvorgang des Bragg-

Detektors 6. Deshalb wird in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgeschlagen, den Fluoreszenzdetektor etwas seitlich zu verschwenken, so daß der gewünschte Raumwinkelbereich nunmehr vom Bragg-Detektor 6 in einem zweiten Durchlauf erfaßt werden kann. Wegen der Symmetrie der Bragg-Reflexe ist es allerdings nicht nötig, den gesamten Halbraum zu erfassen. Man benötigt lediglich die Information aus einem Viertel des gesamten Raumwinkels und kann dann die Fluores¬ zenzstrahlung aus dem übrigen zugänglichen Raumwinkelbereich erfassen.

Alternativ dazu kann der Fluoreszenzdetektor auch auf dem schwenkbaren Arm 10 (Chi-Kreis) besfestigt werden.

Als Strahlenquelle 9 kann eine Röntgenröhre verwendet werden. Es ist jedoch wegen der Intensität von besonderem Vorteil, Synchrontronstrahlung zu verwenden. Dabei kann dieselbe Anordnung verwendet werden.

Der Fiuoreszenzdetektor besteht aus einem Lithium gedrifteten Siiicium- oder Germaniumkristall, welcher auf einem Kühlfinger befestigt in ein evakuiertes Gehäuse eingeschlossen ist. Die Röntgenfiuoreszenzstrahiung fällt durch ein Berylliumfenster auf den Detektor k ristall in der Vakuum¬ kammer. Der Kristall ist ebenso gekühlt, wie die erste Stufe des Vor¬ verstärkers. Der Detektorkristall wird möglichst direkt mit seiner Rückseite auf dem Kühifinger befestigt. Mit dem hier verwendeten Stirlingkühler können in kurzer Zeit -170 °C und weniger erreicht werden.

Es folgt die Beschreibung des Meßvorgangs an einer Kristall probe. Zuerst wird die Rockingkurve (Bragg-Peak) eines ausgewählten Reflexes gemessen und daraus die genaue Lage Θ B und die Halb wertsbreite Θ B des Peaks bestimmt. In einem zweiten Lauf wird der Winkelbereich ΘB + ΘB in kleinen Winkelschritten durchfahren und die Fluoreszenzstrahlung der angeregten Fremdatome mit einem Vielkanalanalysator registriert. Aus dem Intensitätsveriauf der Strahlung in Abhängigkeit von der Winkelposition kann dann - wie in der Literatur beschrieben - (Malfrange et al.) die Ortskoordinate des fluoreszierenden Atoms in einer Richtung senkrecht zur Netzebene des Reflexes bestimmt werden.

Wiederholt man diese Prozedur an zwei weiteren unabhängigen Reflexen, so erhält man drei Koordinaten zur räumlichen Fixierung des Atoms innerhalb des Wirtsgitters.