Untersuchung der Oberflaechensegregation geordneter Legierungen mittels Ionenstreuung am Beispiel CuAu(100)

In dieser Arbeit wurde die Oberflaechensegregation bei Legierungen
mittels niederenergetischer Ionenstreuung (Low Energy Ion
Scattering, LEIS) am Beispiel von CuAu untersucht. Waehrend der
Arbeit wurden Methoden weiterentwickelt und insbesondere bei der
Computersimulation neu entwickelt. Die Vorgehensweisen sind nicht
auf das hier untersuchte System beschraenkt, sondern koennen mit
leichten Modifikationen auf andere uebertragen werden. Ziel der
Arbeit war es, die Au-Konzentration der ersten und zweiten Atomlage
der (100)-Oberflaeche der binaeren Legierung CuAu in Abhaengigkeit
von der Temperatur zu bestimmen. Cu1−xAux ist ein in Bezug auf die
Volumenverhaeltnisse bestens untersuchtes klassisches System mit
einem Ordnungs-Unordnungs-Phasenuebergang erster Ordnung. Zwei der
drei wichtigsten stoechiometrischen Kompositionen, naemlich CuAu3
und insbesondere Cu3Au sind auch hinsichtlich ihres Verhaltens an
der Oberflaeche eingehend untersucht. Fuer CuAu findet man wenig
Information. Es zeigt sich, daß die Analyse der zweiten Atomlage
von besonderem Interesse ist. Hier unterscheiden sich (mit Ausnahme
von idealen Loesungen) monotone und oszillatorische
Kompositionsprofile, was Rueckschluesse auf die Art der
Nachbarwechselwirkungen zulaeßt (Legierungen mit
Entmischungstendenz und ordnende Legierungen respektive). Die
Auswertung der Ionenstreuintensitaeten aus der zweiten Lage ist
jedoch durch Fokussierungsund Neutralisationseffekte kompliziert
und konnte bisher nur modellartig ueber Parameterbestimmung
behandelt werden. In dieser Arbeit wurde die quantitative
Auswertung der Intensitaetsverteilungen aus LEIS-Experimenten
erstmals nur mit Hilfe von Computersimulationen durchgefuehrt.
Damit wurde die Au-Konzentration der zweiten Atomlage bestimmt. Die
notwendigen Eichungen der Streupotentiale und der thermischen
Vibrationsamplituden der Oberflaeche wurden an Eichproben der reinen
Komponenten, Cu(100)und Au(110)(1×2), durchgef¨uhrt. Die kritische
Groeße fuer die Potentiale ist die Abschirmlaenge. Sie wurde fuer
1.5 keV Na+-Streuung fuer Cu zu 77% und fuer Au zu 95% des
Firsov’schen Wertes bestimmt. Diese Ergebnisse wurden durch
Ausnutzung der Vielfachstreuung gewonnen und nicht, wie sonst
ueblich, mit Hilfe von sehr aufwendig zu simulierenden Polarscans
welche nur zu Kontrolle verwendet wurden. Die Variation der
Vibrationsamplituden zeigte, daß sich fuer die Anpassung an
LEIS-Resultate Uebereinstimmung mit theoretischen Literaturwerten
ergibt. Gleichzeitig zeigte sich, daß zur Anpassung bestimmter
experimentellen Intensitaeten eine Gitterrelaxation senkrecht zur
Oberflaeche von etwa 7% einbezogen werden muß, was mit den
Literaturwerten hinsichtlich der tetragonalen Einheitszelle von
geordnetem CuAu in Einklang steht. Mit dem so gewonnenen Datensatz
und der di- rekt aus der He+-Streuung bestimmten Au-Konzentration
der ersten Atomlage konnte durch Vergleich von
Simulationsrechnungen mit Realraumkartierungen der gemessenen
Intensitaeten erstmals die Komposition der ersten und zweiten
Atomlage von CuAu(100) bestimmt werden. Es zeigt sich
Au-Segregation in Verbindung mit leicht gestoerter idealer
Volumenterminierung. Oberhalb der Uebergangsemperatur des
Phasenuebergangs im Volumen faellt die Au-Konzentration von
urspruenglich 95% in der ersten Lage auf 75% bei 750C ab,
gleichzeitig steigt sie in der zweiten Lage von 5% auf etwa 30% an.
Eine rein statistische Gleichverteilung wird erkenbar bis nahe an
den Schmelzpunkt nicht erreicht. Fuer die Segregationsenergie wurde
ein Wert von -0.3 eV ermittelt. Die Ergebnisse werden mit
Simulationsrechnungen von Terser verglichen und zeigen sehr gute
Uebereinstimmung, was moeglicherweise mit der guten
Beschreibbarkeit der Segregation von CuAu mit
Paarwechselwirkungspotentialen zusammenhaengt. Ferner wurden die
Computersimulationsmethoden verbessert: Der 3D-Code MARLOWE wurde
hinsichtlich Simulationsleistung gesteigert: laengere Variablen und
Erweiterung zur Beruecksichtigung unterschiedlicher
Vibrationsamplituden fuer vertikale und parallele Auslenkungen. Es
wurde eine neue Routine zur Analyse von Trajektoriendaten
entwickelt. Dabei zeigt sich, daß die hier vorangetriebene
Trajektorienaufgel¨oste Analyse von LEIS-Spektren n¨utzlich ist
fuer: Die Interpretation von Spektren mit einem substantiellen
Anteil an Vielfachstreubeitraegen, den Gebrauch von
Neutralisationsmodellen in Streusimulationen, die Bestimmung von
spezifischen Neutralisationsparametern und die Identifikation von
Strukturrelevanten Streuprozessen (z.B. bei rekonstruierten
Oberflaechen und geordneten Legierungen).