Methoden der Bildverarbeitung werden in der Materialforschung benutzt, um Verzerrungen atomarer Größenordnung vorwiegend in kristallinen Halbleiterheterostrukturen lokal quantitativ zu erfassen. Damit lassen sich andere Größen wie lokale Gitterkonstanten und lokale Konzentrationen errechnen und Rückschlüsse auf Wachstumseigenschaften ziehen. Diese Informationen werden benötigt, um bestimmte Eigenschaften der Heterostrukturen zu verbessern, die die Grundlage elektronischer und optoelektronischer Bauelemente wie hochintegrierter Mikrochips, Halbleiterlaser und Leuchtdioden sind.
Inhaltsverzeichnis
- 1 Einleitung
- 1.1 Kristallstrukturen
- 1.2 Vermessung der Strukturen
- 1.3 Anwendungen
- 1.4 Aufbau dieser Arbeit
- 2 Physikalische Grundlagen
- 2.1 Kristalle
- 2.1.1 Grundlagen
- 2.1.2 Kontrolliertes Kristallwachstum
- 2.1.3 Quantum-Well-Strukturen
- 2.1.4 Elastische Verzerrung
- 2.2 Elektronenmikroskopie
- 2.2.1 Auflösungsvermögen
- 2.2.2 Aufbau des Transmissions-Elektronen-Mikroskops
- 2.2.3 HREM-Bild als Interferenzmuster
- 2.2.4 Bildakquisition
- 2.2.5 Probenpräparation
- 2.3 Simulierte Bilder
- 2.3.1 Theoretischer Hintergrund
- 2.3.2 Parameter für die Simulation
- 2.3.3 Der Einfluß von Rauschen auf das Verfahren
- 2.4 Berechnung der physikalischen Größen
- 2.4.1 AlGaN/GaN-Systeme
- 2.4.2 Si Ge/Si-Systeme
- 2.4.3 Grenzen
- 2.4.4 Anwendung
- 2.1 Kristalle
- 3 Hochgenaue Positionsbestimmung
- 3.1 Vorverarbeitung
- 3.1.1 Bildtransformation
- 3.1.2 Filterung
- 3.1.3 Blob Extraktion
- 3.2 Fitting
- 3.2.1 Modellfunktionen
- 3.2.2 Minimierung von x²
- 3.2.3 Diskussion
- 3.2.4 Startparameter
- 3.3 Globales Fitting
- 3.3.1 Schrittweise Reduzierung der Parameter
- 3.3.2 Komplexität der Berechnung
- 3.3.3 Ergebnisse
- 3.4 Nachbearbeitung
- 3.4.1 Gitterdarstellung
- 3.5 Validierung
- 3.5.1 Konfidenzintervalle
- 3.5.2 Test auf Normalverteilung
- 3.6 Alternative Verfahren
- 3.6.1 Größte Intensität
- 3.6.2 Schwerpunkt
- 3.6.3 Geometrisches Zentrum
- 3.6.4 Vergleich der Verfahren
- 3.7 Unsicherheiten
- 3.1 Vorverarbeitung
- 4 Experimentelle Ergebnisse
- 4.1 GaN/AlGaN
- 4.2 GaN/InGaN/AlGaN
- 4.3 Si/SiGe
- 4.4 Weitergehende Messungen
- 4.4.1 Bestimmen von elastischen Konstanten
- 4.4.2 Validierung mit EELS
- 5 Zusammenfassung und Ausblick
- 5.1 Zusammenfassung
- 5.1.1 Grundlagen
- 5.1.2 Ziel
- 5.1.3 Verfahren
- 5.1.4 Ergebnisse
- 5.1.5 Fazit
- 5.2 Ausblick
- 5.1 Zusammenfassung
- A Periodensystem der Elemente
- B Symbolverzeichnis
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Die Diplomarbeit befasst sich mit der Vermessung von Kristallstrukturen mithilfe von Methoden der Bildverarbeitung und Statistik. Ziel ist es, ein Verfahren zu entwickeln, das die präzise Bestimmung der Positionen von Atomen in Kristallstrukturen ermöglicht. Die Arbeit konzentriert sich auf die Analyse von hochauflösenden Elektronenmikroskopiebildern (HREM) und die Entwicklung von Algorithmen zur automatischen Detektion und Lokalisierung von Atomen in diesen Bildern.
- Physikalische Grundlagen von Kristallstrukturen und Elektronenmikroskopie
- Entwicklung von Algorithmen zur Bildverarbeitung und Positionsbestimmung
- Anwendung des Verfahrens auf verschiedene Kristallmaterialien, wie z.B. GaN/AlGaN und Si/SiGe
- Validierung der Ergebnisse und Analyse der Unsicherheiten
- Ausblick auf zukünftige Anwendungen und Weiterentwicklungen
Zusammenfassung der Kapitel
Kapitel 1 führt in die Thematik der Kristallstrukturen und deren Vermessung ein. Es werden die grundlegenden Eigenschaften von Kristallen, die Funktionsweise der Elektronenmikroskopie und die Anwendungen der Kristallstrukturanalyse erläutert. Kapitel 2 behandelt die physikalischen Grundlagen der Kristallstrukturen und der Elektronenmikroskopie. Es werden die verschiedenen Arten von Kristallen, die Entstehung von Kristallstrukturen und die Funktionsweise des Transmissions-Elektronen-Mikroskops (TEM) beschrieben. Kapitel 3 konzentriert sich auf die Entwicklung von Algorithmen zur hochgenauen Positionsbestimmung von Atomen in HREM-Bildern. Es werden verschiedene Verfahren zur Vorverarbeitung, zum Fitting und zur Validierung der Ergebnisse vorgestellt. Kapitel 4 präsentiert die experimentellen Ergebnisse der Anwendung des entwickelten Verfahrens auf verschiedene Kristallmaterialien, wie z.B. GaN/AlGaN und Si/SiGe. Es werden die Ergebnisse der Positionsbestimmung und die Analyse der Unsicherheiten diskutiert. Kapitel 5 fasst die Ergebnisse der Arbeit zusammen und gibt einen Ausblick auf zukünftige Anwendungen und Weiterentwicklungen des Verfahrens.
Schlüsselwörter
Die Schlüsselwörter und Schwerpunktthemen des Textes umfassen Kristallstrukturen, Elektronenmikroskopie, Bildverarbeitung, Positionsbestimmung, Algorithmen, GaN/AlGaN, Si/SiGe, Validierung, Unsicherheiten, Anwendungen.
Häufig gestellte Fragen
Was ist das Ziel der Vermessung von Kristallstrukturen in der Materialforschung?
Ziel ist es, Verzerrungen auf atomarer Ebene lokal quantitativ zu erfassen. Dies ermöglicht die Berechnung von Gitterkonstanten und Konzentrationen, um die Eigenschaften von Halbleiterbauelementen wie Mikrochips oder Lasern zu verbessern.
Welche mikroskopische Methode wird in der Arbeit verwendet?
Es wird die hochauflösende Transmissions-Elektronenmikroskopie (TEM bzw. HREM) eingesetzt, um Interferenzmuster der Atomanordnung sichtbar zu machen.
Welche Rolle spielt die Bildverarbeitung bei diesem Verfahren?
Algorithmen zur Bildverarbeitung dienen der Vorverarbeitung (Filterung, Blob-Extraktion) und der hochgenauen Positionsbestimmung von Atomen durch Fitting-Modelle.
An welchen Materialsystemen wurde das Verfahren getestet?
Das Verfahren wurde experimentell an AlGaN/GaN-Systemen sowie an SiGe/Si-Heterostrukturen angewendet und validiert.
Wie wird die Genauigkeit der Ergebnisse sichergestellt?
Durch statistische Methoden wie die Berechnung von Konfidenzintervallen, Tests auf Normalverteilung und die Validierung mittels EELS (Elektronen-Energieverlustspektroskopie).
- Quote paper
- Olaf Schmidt (Author), 1999, Vermessung von Kristallstrukturen mit Methoden der Bildverarbeitung und Statistik, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/185429
