Ein Blick ins Innere von Nanostrukturen

Bei der Röntgenfluoreszenzanalyse werden durch einfallende Röntgenphotonen Elektronen aus inneratomaren Schalen angeregt. Der anschließende Zerfall dieser angeregten Zustände führt zur Emission elementspezifischer Röntgenfluoreszenzstrahlung. Über eine energieselektive Messung der Röntgenfluoreszenzintensitäten unter Nutzung kalibrierter Instrumentierung sind quantitative Rückschlüsse auf die Materialkomposition möglich.

Unter streifendem Einfall des anregenden Röntgenstrahls (Grazing-Incidence X-ray Fluorescence, GIXRF) entsteht durch Interferenz mit dem von der Probe reflektierten Anteil ein stehendes Wellenfeld, das lokal in die Oberflächenstruktur eindringt. Wenn die Probe um zwei Achsen bezüglich des einfallenden Röntgenstrahls rotiert, lassen sich daher gezielt die Orte maximaler elektrischer Feldstärke und damit Fluoreszenzemission variieren und die Struktur mit einer Subnanometer-Auflösung abtasten.

Die Auswertung der Daten erfordert die exakte numerische Modellierung der räumlichen Feldstärkeverteilung. Dazu wurde ein Ansatz gewählt, der bereits für Experimente zur Röntgenkleinwinkelstreuung unter streifendem Einfall (Grazing- Incidence Small Angle X-ray Scattering, GISAXS) entwickelt wurde und auf einer Finite-Elemente-Methode (FEM) zum Lösen der Maxwell-Gleichungen beruht.

Diese Kombination von GIXRF mit FEM-Berechnung und die quantitative Modellierung der emittierten Fluoreszenzintensitäten ermöglicht Rückschlüsse auf die Anzahl und Position der Atome eines spezifischen Elements innerhalb der Nanostruktur.

Für zukünftige Anforderungen der Nanometrologie soll dieser experimentell- theoretische Ansatz noch mit GISAXS-Daten kombiniert werden. Diese enthalten zwar keine materialspezifischen Informationen, erlauben dafür jedoch eine sehr genaue dimensionelle Rekonstruktion der Nanostrukturen.