Positronenannihilationsinduzierte Auger-Elektronenspektroskopie - PAES -

Transkript

1 Vorlesung: Physik mit Positronen II Positronenannihilationsinduzierte Auger-Elektronenspektroskopie - PAES - Christoph Hugenschmidt Technische Universität München

2 Survey:! Motivation PAES I! Experimental setups! Auger-Electrons! PAES & EAES PAES II! Auger-Spectroscopy at NEPOMUC! Surface Investigations with PAES Christoph Hugenschmidt 2

3 Why PAES? The important role of surfaces... Corrosion Catalysis Contacts Hardcoating Ultra thin layers Surface alloys Adhesion etc. à non-destructive technique for surfaces characterization Christoph Hugenschmidt 3

4 Techniques for Surface Studies Technique Depth Probed in Atomic Layers Comments LEED 3-5 Need theory SIMS 1-5 Destructive of thin films. Hard to qualify XPS 3-10 e - Auger 3-10 STM ~1 Difficulty with element identification e + Auger ~1 Significant advantages over E-AES Christoph Hugenschmidt 4

5 Auger-Effect Entdeckt 1923 durch Lise Meitner und unabhängig 1926 von Pierre Auger Nomenklatur: à Übergang Ai Bj Ck : à Ai : Niveau, in dem das primäre Loch entsteht à Bj : Niveau, aus dem ein Elektron nachrückt à Ck : Niveau, aus dem das Auger-Elektron emittiert wird à ijk: bezeichnen die magnetischen Quantenzahlen. à KL1 L1-Auger-Elektron verletzt Auswahlregeln für optischen Übergang (L = ±1) à kein Röntgenquant! Pierre Auger 1990 Christoph Hugenschmidt 5

6 Auger Electron Spectroscopy AES PAES Auger electron Auger electron E C B e+ A Christoph Hugenschmidt 6

7 XAES und EAES primäres Loch entsteht durch γ-strahlung! charakteristische Röntgenstrahlung è diskrete Energien, um die 1500 ev (Al/Mg)! Synchrotronstrahlung è kontinuierlich von 20 bis 500 ev bei Röntgenstrahlung monochromatische Strahlung mit geringer Linienbreite resonante AES primäres Loch entsteht durch hochenergetische e -! thermische e - - Quellen! Feldemissions-Quellen e - im kev-bereich -> Schädigung der Oberfläche e - haben eine Reichweite von bis zu 100nm im Festkörper Christoph Hugenschmidt 7 7

8 Auger versus X-ray Christoph Hugenschmidt 8

9 Energy Christoph Hugenschmidt 9

10 Information Depth mittlere freie Weglänge der Elektronen: λ = 1 ( a E ) a AEA + 0,41a A A A + Austrittswinkel der Augerelektronen à Tiefenauflösung: Δz = λ cosθ Christoph Hugenschmidt 10

11 Vakuumgrößen! N2 at 300K Christoph Hugenschmidt 11

12 Analysator bestimmt Energie der Elektronen zwei verschiedene Typen:! cylindrical mirror analyzer (CMA)! concentric hemispherical analyzer (CHA) Abschirmung von äußeren Feldern wichtig! µ-metall Christoph Hugenschmidt 12 12

13 Electron Analyzer Plane mirror analyser (PMA) Einfacher Aufbau Eingangs-/Ausgangswinkel: 45 bessere Fokussierung mit 35 Schlechte Transmission Potentialdifferenz: V = 2E0d el Parabelförmige Flugbahn 0 Christoph Hugenschmidt 13

14 Electron Analyzer Cylindrical Mirror Analyser (CMA) 2π Geometrie von PMA Eingangs-/Ausgangswinkel: 42,3 bessere Transmission Potentialdifferenz: R V = 1,3E0 ln out Rin L = R 0 6,1 in Sehr sensitiv, mittlere Auflösung Christoph Hugenschmidt 14

15 Electron Analyzer Cylindrical deflection analyser (CDA) Hohe Auflösung Zylinderkrümmung: 127 schlechtere Transmission Potentialdifferenz: 1 R out V = E0 2 R in Christoph Hugenschmidt 15

16 Analysator Christoph Hugenschmidt 16

17 Electron Analyzer Spherical deflection analyser (SDA) 2 Halbkugeln = E0 3 2 Potentialdifferenz 0 V out R R out V in = E0 3 2 R R 0 in R 0 = R in + R 2 out Christoph Hugenschmidt 17

18 CAE constant analyzer energie:! Pass-Energie konstant! Linsensystem scannt Energiebereich! Formel für Energieauflösung:! typische Werte: R=150mm,b=1mm,E pass =30V ΔE=0,1eV! hohe Transmission für niedrige Energien ΔE E pass 2 R b Christoph Hugenschmidt 18 18

19 CRR constant retard ratio:! im Linsensystem werden e - prozentual abgebremst! die Pass-Energie wird variiert! E pass ist proportional zu E kin! Energieauflösung ist abhängig von E kin Christoph Hugenschmidt 19 19

20 Electron Spectrum Christoph Hugenschmidt 20

21 Chemical Shift Christoph Hugenschmidt 21

22 TOF-PAES Hauptkomponenten: ð Trochoidalfilter à e+/e- Trennung ð Magnetische (De-)Kompression à hoher Raumwinkel ð Time-of-Flight à großer E-Bereich simultan Christoph Hugenschmidt 22

23 TOF-PAES Hauptkomponenten: Trochoidalfilter à e+/e- Trennung Magnetische (De-)Kompression à hoher Raumwinkel Time-of-Flight à großer E-Bereich BaF 2 -Detektor B + - Faraday-Käfig E MCP e - e - NdFeB-Magnet e + e + Probe L Christoph Hugenschmidt 23

24 National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Japan Christoph Hugenschmidt 24

25 Schematic of T-O-F PAES system B = 40Gauss Permanent magnet γ Sample TOF retarding tube γ Vbia Vrtd s EXB Plates D B = 100Gauss MCP EXB Plates C e- Accelerator EXB Plates B Tungsten Barrier C Tungsten Barrier B EXB Plates A Tungsten Barrier A Moderato r e+ VEXB 2 VEXB 1 Vm A. Weiss, UTA, USA Christoph Hugenschmidt 25

26 Timing scheme of the Time-of-Flight (TOF) PAES spectrometer NaI Detector Magnet γ Sample γ TOF Retarding tube EXB Plates Micro-channel Plate (MCP) e - e + Fast pre-amplifier BaF 2 Detector stop start CFD Time to Amplitude converter (TAC) Counter Fast pre-amplifier CFD Time delay Multi-channel Analyzer (MCA) The energy distribution of outgoing electrons in the TOF technique can be calculated by the equation: E kinetic = 1 2 m v e 2 = 1 2 m e t stop L t start 2 Christoph Hugenschmidt 26

27 TOF-PAES Flight Time Spectrum Counts/sec Channel Flight time (ns) 274.9ns (#1118) 195.6ns (#1325) Clean Cu Surface Copper Sample Counts/sec Channel Flight time (ns) 274.9ns (#1118) 132.3ns (#1483) 195.8ns (#1320) 115.1ns (#1527) 104.2ns (#1555) Cu Surface with adsorbates Christoph Hugenschmidt 27

28 Electron Energy Spectrum Intensity (count/sec) Cu M 2,3 VV (59.3 ev) Experimental data 5 point smoothing (b) Intensity (count/sec) Cu M 2,3 VV (58.3 ev) Experimental data 5 point smoothing Cu M 1 VV (108.7 ev) Energy (ev) Cu M 1 VV C KLL (108.0 ev) (268.0 ev) N KLL O KLL Energy (ev) Clean Cu Surface Cu with adsorbates: C (C KLL), N (KLL) and O (KLL) Christoph Hugenschmidt 28

29 Munich-Design: Faraday-Käfig Simultanes Messen eines 100eV breiten Energiebereichs Keine Justage des elektrischen Feldes des Kondensators nötig Aber: Zweiter, kleiner Trochoidalfilter nötig Gesamte Ablenkung des Strahls durch beide Filter: 30 mm Christoph Hugenschmidt 29

30 Flugzeit und Energieauflösung a. Flugzeit Abhängig vom Eintrittswinkel β Christoph Hugenschmidt 30

31 b. Zeitauflösung Flugzeit und Energieauflösung Minimale Flugzeit Maximale Flugzeit Bei gegebener Elektronenenergie weicht die Flugzeit um maximal 0,82% nach oben ab Christoph Hugenschmidt 31

32 Flugzeit und Energieauflösung Christoph Hugenschmidt 32

33 c. Energieauflösung Flugzeit und Energieauflösung Zwei gemessene Energien können noch klar getrennt werden, wenn gilt Christoph Hugenschmidt 33

34 Time-of-Flight-PAES Christoph Hugenschmidt 34