Photoelektronen-Spektroskopie und -Mikroskopie

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  Chemischer Kontrast gemessen mit dem PEEM Aufbau. Forschungszentrum Jülich | Daniel Wilson Chemischer Kontrast zwischen Platinelektroden (grün) und Ga2O3 (rot/ Substrat), gemessen mit einem PEEM und einer Plasma EUV-Lichtquelle.

Photoemissionsspektroskopie (PES) und Photoemissionselektronenmikroskopie (PEEM) sind herausragende Methoden um die elektronische Struktur, magnetische Eigenschaften, Komposition und Morphologie von Materie zu untersuchen. Eine wesentliche Komponente in diesen Experimenten ist die Lichtquelle an sich. Abhängig von der spektralen Region der Photonen kann Photoemissionsspektroskopie in die ultraviolette Photoelektronenspektroskopie (UPS) und die Röntgen Photoelektronenspektroskopie (XPS) unterteilt werden.

Für XPS und vergleichbare Techniken wie z.B. Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie (NEXAFS) Messungen, ist das Synchrotron und der freie Elektronenlaser beispiellos in der spektralen Reichweite von harten Röntgenstrahlen bis zum extrem ultravioletten (EUV) und unübertroffen in dieser Reichweite und Variabilität von Photonenenergien, Intensität, Bandbreite, Polarisation, Pulsdauer und Repetitionsrate.

Für laborbasierte Photoemissionsstudien gibt es verschiedene Lichtquellen die alle anhand ihrer Photonenenergien klassifiziert werden können. Die meisten Lichtquellen emittieren Photonen in einem Bereich zwischen 3 eV und 40 eV. Für XPS werden Röntgenröhren genutzt, z.B. Al Kα Strahlung (1488 eV). Die klassische Lichtquelle für Valenzbandspektroskopie, die He Lampe, emittiert zwei starke Linien bei 21.2 eV (He I) und 40.8 eV (He II) [1]. Manchmal wird auch Strahlung von sichtbaren und ultravioletten Lasern (Photonenenergien > 3 eV) genutzt um Photoemissionsstudien von elektronischen Zuständen sehr nah an der Fermi Energie, oder auch an unbesetzten Zuständen durchzuführen (Zwei-Photon-Photoemission [2]). Solche Techniken erfordern die Reduktion der Austrittsarbeit indem die Probe vor der Messung entsprechend behandelt wird. Eine weitere Technik um zeitaufgelöste Studien von elektronischen Zuständen auf der Femtosekunden-Zeitskala zu ermöglichen beinhaltet die Nutzung von lasergenertierten hohen Harmonischen (HHG). Es gibt mehrere erfolgreiche Experimente die Photonenenergien zwischen 22 eV und 93 eV nutzten [3-8].

In diesem Projekt kombinieren wir eine Hochleistungslichtquelle für EUV Strahlung, die mit einigen kHz Repetitionsrate betrieben werden kann mit einem Photoemissionselektronenmikroskop das gleichzeitig für spektroskopische Messungen eingesetzt werden kann. Für diesen Zweck nutzen wir einen Monochromator um eine einzelne spektrale Linie mit schmaler Bandbreite \(\frac{\Delta E}{E} \le 10^3 \)aus dem Spektrum unserer EUV-Quelle herauszufiltern. Das Ziel dieses Projektes ist es, den Bereich der verfügbaren Photonenenergien für laborbasierte Photoemissionsspektroskopie und Photoemissionselektronenmikroskopie zu erweitern und die zurzeit im Labor vorhandene spektrale Lücke zwischen 40 eV und der Röntgenstrahlung zu schließen.

Die auf Gasentladung basierende EUV-Lichtquelle die in unseren Projekten genutzt wird, wurde am Fraunhofer Institut für Lasertechnik in Aachen [9,10] entwickelt und wird für eine Vielzahl von Anwendungen genutzt, wie z.B. EUV Lithographie [11], Reflektometrie [12], Magneto-Optik [13] und auch für EUV und weiche Röntgenmikroskopie [14-16]. Die EUV Strahlung wird von angeregten, mehrfach ionisierten Atomen innerhalb des Z-Pinch Plasmas emittiert. Die spektrale Bandbreite dieser Quellen geht vom sichtbaren, über 25 eV bis hin zu 620 eV, abhängig von der elektrischen Energie, die in das Plasma eingekoppelt wird, und auch von der Gasart. Diese erweiterte spektrale Bandbreite und die hoch monochromatischen Linien selbst öffnen die Türe für Spektromikroskopie an bestimmten atomaren Zuständen und bietet deshalb Elementselektivität und ermöglicht chemische Analysen die zurzeit nur am Synchrotron und freien Elektronenlasern möglich sind.

 

Referenzen

[1] T.A.Carlson, Photoelectron and Auger Spectroscopy (plenum, New York,1975)
[2] T. Fauster, Prog. Surf. Sci. 46, 177 (1994)
[3] S. Eich et al., Electr. Spectr. Rel. Phen, accepted
[4] R. Carley et al., Phys. Rev. Lett. 109, 057401(2012)
[5] S. Hellmann et al., Nat. Commun. 3, 1069 (2012)
[6] S. H. Chew et al., Appl. Phys. Lett. 100, 051904 (2012)
[7] A. Mikkelsen et al., Rev. Sci. Instrum. 80, 123703 (2009)
[8] S. Passlack et al., J. Appl. Phys. 100, 024912 (2006)
[9] K. Bergmann et al., Appl. Opt. 38, 5413 (1999)
[10] M. Benk, and K. Bergmann, J. Micro/Nanolith. MEMS MOEMS 11(2), 021106 (2012)
[11] S. Danylyuk et al., J. Vac. Sci. Technol. B 31, 021602 (2013)
[12] M. Banyay, and L. Juschkin, Appl. Phys. Lett. 94, 063507 (2009)
[13] D. Wilson et al., Rev. Sci. Instrum. 85, 103110 (2014)
[14] L. Juschkin et al., Journal of Physics: CS 186, 012030 (2009)
[15] L. Juschkin, invited book contr. to Short-Wavelength Imaging and Spectroscopy Sources, ed. by D. Bleiner, Proc. SPIE 8678, 8678F (2012)
[16] M. Benk et al, Opt. Lett. 33, 2359 (2008)

 
 

Projektmitglieder PEEM

Name Kontakt
Gordon Staab B.Sc.
Masterand
+49 2461 6196466
Daniel Wilson M.Sc.
Doktorand
+49 2461 6196469