Advanced X-ray analytical methods for the characterization of buried interfaces with relevance for energy conversion devices
Baumann, Jonas
The efficiency of devices for novel renewable energy sources, like solar cells and thermoelectric generators (TEGs), is strongly increasing since the advent of nanotechnology. Synchrotron radiation-based advanced X-ray fluorescence (XRF) techniques, like grazing emission (GE-) or grazing incidence (GI-) XRF, offer non-destructive and quantitative access to elemental depth profiles in the nanometer range. Using soft instead of hard X-rays not only increases the sensitivity for light elements, but also enhances depth resolving capabilities due to the stronger attenuation of the radiation. Clearly, material research could be accelerated by a better availability of those methods, which demands the development of an efficient laboratory setup.
In this thesis, the first X-ray fluorescence spectroscopy measurements by excitation with a laser-produced plasma (LPP) source are presented. Moreover, the highly brilliant source allowed to design a spectrometer concept, which enables laboratory-based, scanning-free GEXRF measurements in the soft X-ray range for elemental depth profiling of nano-scaled materials.
The scanning-free GEXRF approach requires a precise calibration of the measurement geometry and the accurate evaluation of single photon events to exploit the properties of two-dimensional, energy-dispersive detectors. Both is achieved in this thesis, leading to excellent angular and good energy resolution of the GEXRF measurements. The spectrometer concept is validated by evaluation of the Kossel lines in the GEXRF profile of a C/Ni-multilayer sample.
Furthermore, the setup is applied to the characterization of gold-doped copper oxide nanofilms, which can be used in TEGs. The sample structure is thoroughly characterized by various XRF measurements in the laboratories of the Physikalisch Technische Bundesanstalt at the synchrotron radiation facility BESSY II in Berlin. Complementary measurements with the laboratory scanning-free GEXRF setup show similar results obtained in comparable measurement times with respect to SR-based GIXRF. This demonstrates the feasibility of the spectrometer concept for elemental depth profiling of samples with relevance for renewable energy sources.
Seit der Anwendung von Nanotechnologien in Geräten zur Nutzung erneuerbarer Energiequellen, wie Solarzellen oder thermoelektrische Generatoren (TEG), konnte deren Effizienz stark gesteigert werden. Die Nutzung hochentwickelter, auf Synchrotronstrahlung (SR) basierender Röntgenfluoreszensanalyse (RFA), wie GIXRF oder GEXRF (engl.: grazing incidence bzw. grazing emission X-ray fluorescence analysis) ermöglicht es, Elementtiefenprofile mit Auflösungen im Bereich von Nanometern zerstörungsfrei und quantitativ zu bestimmen. Wird weiche statt harter Röntgenstrahlung genutzt, erhöht dies die Sensitivität für leichte Elemente und verbessert die Tiefenauflösung der Messmethode durch die stärkere Absorption der Strahlung. Die Entwicklung effizienter Laborgeräte für diese Analysemethoden ist Voraussetzung für eine verbreiterte Nutzung derselben, wodurch die Entwicklungsprozesse neuer Materialien beschleunigt würden. In der vorliegenden Arbeit werden die ersten RFA-Messungen unter Anregung mit einer laserinduzierten Plasmaquelle (LPQ) vorgestellt. Zudem wird diese hochbrilliante Quelle für weiche Röntgenstrahlung genutzt, um ein laborbasiertes, scanfreies GEXRF Spektrometer zu entwerfen, welches die Elementtiefenprofilierung von nanoskaligen Materialien ermöglicht.
Damit die Eigenschaften des verwendeten zweidimensionalen, energiedispersiven Detektors im scanfreien GEXRF-Aufbau voll ausgenutzt werden können, muss die Messgeometrie exakt bekannt und müssen Einzelphotonenereignisse präzise auswertbar sein. Beides wird in dieser Arbeit erreicht und führt zu einer sehr guten Winkel- und einer guten Energieauflösung. Das Spektrometerkonzept wird durch die Messung von Kossel-Linien in den GEXRF-Profilen einer C/Ni-Vielschichtprobe validiert. Weiterhin wird das Spektrometer für die Untersuchung von golddotierten Kupferoxidnanoschichten genutzt, welche in TEGs Anwendung finden können. Die Proben werden mit verschiedenen SR-basierten RFA-Methoden in den Laboren der Physikalisch Technischen Bundesanstalt bei BESSY II in Berlin charakterisiert. Die komplementären Messungen mit dem scanfreien GEXRF-Spektrometer ergeben bei vergleichbaren Messzeiten ähnliche Ergebnisse zu den SR-basierten GIXRF Messungen. Dies demonstriert erfolgreich die Anwendbarkeit des Spektrometers für Elementtiefenprofilierung von Proben, welche relevant für die Gewinnung von erneuerbaren Energien sein können.
