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Nachweis einer Anisotropie in den optischen Konstanten von Quarzkristallen für weiche Röntgenstrahlung

18.03.2021

Vergleich der gemessenen Reflexion für die (100) und (001) Kristallrichtung an einem konstanten Einfallswinkel θi um die Si L2,3 Absorptionskante. Die untere Grafik zeigt die dazugehörige Anisotropie in der Reflexion.

Quarz ist ein wichtiges Substratmaterial für Halbleiterstrukturen und kommt in den verschiedensten industriellen Bereichen zum Einsatz zum Beispiel als Substrat für Spiegel, Linsen und diffraktive optische Elemente oder andere funktionale nanostrukturierte Oberflächen. Für die Entwicklung neuer optischer Komponenten und der dazugehörigen Modellierung der Licht-Materie-Wechselwirkung ist die akkurate Kenntnis optischer Materialparameter von außerordentlicher Wichtigkeit.

In der PTB wurden in den letzten Jahren Methoden zur Bestimmung der optischen Konstanten von Materialien mit Synchrotronstrahlung etabliert. In Kooperation dem National Institute for Standards and Technology (NIST) in den USA wurden in den Arbeitsgruppen 7.14 EUV-Nanometrologie, 7.12 EUV-Radiometrie und 7.24 Röntgenspektrometrie der PTB die optischen Konstanten von Quarz im Spektralbereich der weichen Röntgenstrahlung mit hoher Genauigkeit vermessen. Die aus Reflexionsmessungen rekonstruierten Werte erweitern nicht nur die bestehende Literatur um detaillierte Daten an den Energien der Silizium- und Sauerstoffabsorptionskanten, sondern belegen ebenfalls die Anisotropie des Quarzkristalls auch in diesem Spektralbereich. Die Ergebnisse wurden durch Simulationen unter Verwendung der am NIST entwickelten ab-initio-Bethe-Salpeter-Gleichung bestätigt. Diese Simulationen sind entscheidend, um die Feinstruktur an den Kanten besser vorhersagen zu können und eröffnen neue Möglichkeiten einer chemischen Analyse. Dieser neue Datensatz wird im Rahmen der ATMOC Initiative der PTB für die Entwicklung einer europäischen Datenbank für optische Konstanten, frei zugänglich gemacht.

Publikation:

A. Andrle, P. Hönicke, J. Vinson, R. Quintanilha, Q. Saadeh, S. Heidenreich, F. Scholze, V. Soltwisch, "The anisotropy in the optical constants of quartz crystals for soft X-rays", J. Appl. Cryst. 54, 1-7 (2020)

Ansprechpartner:

A. Andrle, 7.14, E-Mail: Opens local program for sending emailAnna.Andrle(at)ptb.de