DE102005045622B4 - Methods and arrangements for detecting electron spin polarization - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur ortsaufgelösten Analyse der Elektronen-Spinpolarisation im Strahlengang eines parallel abbildenden Elektronenmikroskops, umfassend ein polarisationssensitives Streutarget (1) und eine Anordnung (2, 3) zur elektronenoptischen Strahlführung, wobei die laterale Verteilung des Spinpolarisationsgrades der Elektronen im aufgeweiteten Strahl durch das polarisationssensitive Streutarget (1) simultan analysiert und durch eine elektronenoptische Rundlinse (3) auf dem Bilddetektor (4) des Mikroskops sichtbar gemacht wird.method to the spatially resolved Analysis of electron spin polarization in the beam path of a parallel imaging electron microscope, comprising a polarization-sensitive scattering target (1) and an arrangement (2, 3) for electron optical beam guidance, the lateral distribution the degree of spin polarization of the electrons in the expanded beam analyzed simultaneously by the polarization-sensitive scattering target (1) and by an electron optical round lens (3) on the image detector (4) of the microscope is made visible.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft jeweils ein Verfahren und eine entsprechende Anordnungen zur Analyse der Elektronen-Spinpolarisation in einem parallel abbildenden Elektronenmikroskop sowie jeweils ein Verfahren und eine Anordnung zur Analyse der Elektronen-Spinpolarisation in einem Elektronenspektrometer. Die jeweilige Anordnung umfasst ein polarisationssensitives Streutarget in einem elektronenoptischen Strahlengang und einen ortsauflösenden Detektor oder eine Anordnung aus mehreren Detektoren zum Nachweis der gestreuten Elektronen.The The present invention relates to a method and a corresponding one Arrangements for analyzing the electron spin polarization in a parallel imaging Electron microscope and each a method and an arrangement for the analysis of electron spin polarization in an electron spectrometer. The respective arrangement comprises a polarization-sensitive scattering target in an electron-optical beam path and a spatially resolving detector or an array of multiple detectors to detect the scattered Electrons.
Bekannt sind verschiedene Methoden zur Analyse der Spinpolarisation von Elektronenstrahlen, darunter die spinabhängige Mottstreuung, die Niederenergie-Elektronenbeugung oder -Streuung sowie die Austauschstreuung an ferromagnetischen Targets. Einen Überblick gibt J. Kessler [„Polarized Electrons", 1st Edition, Springer Verlag, Berlin (1976)]. Wichtige Anwendungen für die Analyse der Elektronen-Spinpolarisation bestehen im Bereich der Elektronenspektroskopie, siehe z. B. J. Kirschner [„Polarized Electrons at Surfaces", Springer Tracts in Mod. Phys., Vol. 106, Berlin (1985)] und der Elektronenmikroskopie an magnetischen Proben [H. Hopster und H. P. Oepen (Hrsg.) „Magnetic Microscopy of Nanostructures", Springer, Berlin (2005)]. Bekannte Beispiele sind die Rasterelektronenmikroskopie mit Polarisationsanalyse (SEMPA) oder die spinaufgelöste Photoelektronenspektroskopie. Bei magnetischen Proben trägt die Spinpolarisation der zum Nachweis gelangenden Elektronen wichtige Informationen über die Magnetisierungsstruktur der untersuchten Probe. Die Höhe der Spinpolarisation ist ein Maß für die zugehörige Probenmagnetisierung. Darüber hinaus besteht eine direkte Korrelation zwischen der Richtung des Spinpolarisationsvektors der Elektronen mit der Richtung der lokalen Magnetisierung der Probe. Eine spinaufgelöste Abbildung ist daher geeignet, die magnetische Domänenstruktur von ferromagnetischen Proben direkt abzubilden oder dynamische Effekte, wie z. B. das Verhalten der Magnetisierung bei ultraschnellen Anregungsprozessen, zeitlich aufgelöst zu verfolgen.Known are different methods for analyzing the spin polarization of Electron beams, including the spin-dependent Mottstreuung, the low-energy electron diffraction or scattering and the exchange scattering on ferromagnetic targets. An overview J. Kessler ["Polarized Electrons", 1st Edition, Springer Publisher, Berlin (1976)]. Important applications for the analysis of electron spin polarization exist in the field of electron spectroscopy, see, for. B. J. Kirschner ["Polarized Electrons at Surfaces ", Springer Tracts in Mod. Phys., Vol. 106, Berlin (1985)] and the Electron microscopy on magnetic samples [H. Hopster and H. P. Oepen (ed.) "Magnetic Microscopy of Nanostructures ", Springer, Berlin (2005)]. Well-known examples are scanning electron microscopy with polarization analysis (SEMPA) or spin-resolved photoelectron spectroscopy. For magnetic samples the spin polarization of the electron reaching to prove important information about the magnetization structure of the examined sample. The height of the spin polarization is a measure of the associated sample magnetization. About that There is also a direct correlation between the direction of Spin polarization vector of the electrons with the direction of the local Magnetization of the sample. A spin-resolved image is therefore suitable the magnetic domain structure directly from ferromagnetic samples or dynamic effects, such as As the behavior of the magnetization in ultrafast excitation processes, in time disbanded to pursue.
Die
Literaturstellen
Auch
bei der
Aus
der
Ein fundamentales Problem aller bisherigen Anordnungen zur Analyse der Spinpolarisation besteht darin, dass der ausgenutzte spinabhängige Streuprozess durch einen erheblichen Verlust an Elektronenintensität gekennzeichnet ist. Bei den am weitesten verbreiteten Verfahren, der Mottstreuung und Niederenergie-Elektronenbeugung, beträgt der Intensitätsverlust etwa drei Größenordnungen. Hinzu kommt eine Analysierstärke (Asymmetriefunktion A), die deutlich geringer ist als 100%. Typische Werte liegen um 25%, so dass die so genannte Gütefunktion A2I nur typisch 10–4 beträgt. Daraus resultieren sehr große Messzeiten; in vielen Fällen verbietet die geringe Signalstärke eine spinaufgelöste Messung.A fundamental problem of all previous arrangements for analysis of spin polarization is that the exploited spin-dependent scattering process is characterized by a significant loss of electron intensity. In the most widely used methods, mottling and low energy electron diffraction, the intensity loss is about three orders of magnitude. In addition, there is an analysis strength (asymmetry function A) that is significantly lower than 100%. Typical values are around 25%, so that the so-called quality function A 2 I is only typically 10 -4 . This results in very large measuring times; In many cases, the low signal strength prohibits a spin-resolved measurement.
Die vorliegende Erfindung löst durch die Merkmale der Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 und 8 die Aufgabe, die Effizienz einer Polarisationsanalyse in Mikroskopie- und Spektroskopieexperimenten durch Simultandetektion der Polarisationsverteilung zu erhöhen. Dadurch wird eine spinaufgelöste Parallelabbildung ermöglicht. D. h. die laterale Ortsverteilung der Spinpolarisation ist im analysierten Elektronenstrahl nachweisbar. In typischen Mikroskopieexperimenten beträgt die Erhöhung der Messeffizienz mehr als zwei Größenordnungen, in Spektroskopieexperimenten mehr als eine Größenordnung. Das Verfahren ist sowohl für Hochenergie-Elektronenstrahlen (kinetische Energie > 10 keV) als auch für Niederenergie-Elektronenstrahlen (kinetische Energie wenige eV bis einige 100 eV) geeignet. Im ersteren Fall arbeitet die Spinpolarisations-Analyse nach den bekannten Prinzipien der Mottstreuung oder Moeller-Streuung, während im zweiten Fall die Niederenergie-Elektronenbeugung oder die Austauschstreuung an ferromagnetischen Targets ausgenutzt wird. Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber bisherigen Ansätzen sind die Möglichkeiten zur direkten Parallelabbildung eines spinaufgelösten (d. h. spingefilterten) Bildes in der Elektronenmikroskopie sowie zur simultanen Erfassung von spinaufgelösten Winkel- oder Energieverteilungen von gestreuten Elektronen oder Photoelektronen in der Spektroskopie.The present invention solves by the features of the methods according to claims 1 and 8 the task, the Efficiency of polarization analysis in microscopy and spectroscopy experiments increase by simultaneous detection of the polarization distribution. Thereby becomes a spin-resolved parallel image allows. Ie. the lateral spatial distribution of the spin polarization is in the analyzed electron beam detectable. In typical microscopy experiments, the increase is Measuring efficiency more than two orders of magnitude, in spectroscopy experiments more than an order of magnitude. The procedure is as well as High energy electron beams (kinetic energy> 10 keV) as well as low energy electron beams (kinetic energy a few eV to several 100 eV) suitable. In the former Case, the spin polarization analysis works according to the known principles the Mottstreuung or Moeller scattering, while in the second case the low-energy electron diffraction or the exchange scattering at ferromagnetic targets is exploited. Advantages of the method according to the invention across from previous approaches are the possibilities for direct parallel imaging of a spin resolved (i.e., spin filtered) Image in electron microscopy and for simultaneous acquisition from spin-resolved Angular or energy distributions of scattered electrons or Photoelectrons in spectroscopy.
Verschiedene Ausführungsarten und Anwendungsfälle der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert.Various embodiments and use cases The invention will be exemplified below with reference to the drawings explained in more detail.
Eine
bevorzugte Ausführungsart
des erfindungsgemäßen ortsauflösenden Spinpolarimeters nutzt
aus, dass sich durch die spinabhängige
Streuung an einem Target mit homogener Oberfläche eine Spinfilterung des
gesamten Strahls, d. h. insbesondere der lateralen Verteilung der
Elektronen im Strahl, erreichen lässt. Homogene Targetoberflächen können durch
geeignete Präparation
auf Einkristallen mit wohldefinierter kristallographischer Orientierung erzielt
werden. Ein geeignetes Beispiel ist die Oberfläche eines Wolfram-Einkristalls mit
(100)-Orientierung. Alternativ können
geordnete (epitaktische) Schichten von Materialien mit hoher Ordnungszahl auf
geeigneten Substraten aufgedampft werden. Für die Mottstreuung oder die
diffuse Niederenergiebeugung können
polykristalline Schichten mit hinreichend homogener feinkristalliner
Struktur genutzt werden.
In
der dargestellten Geometrie wird die mit P gekennzeichnete Komponente
des Spinpolarisationsvektors senkrecht zur Zeichenebene analysiert. Im
Fall eines einkristallinen Streutargets ist der Beugungswinkel energieabhängig. Bei
korrekter Streuenergie wird für
den gewählten
Beugungsreflex das durch die Randstrahlen (
Bei
diffuser Streuung an einer polykristallinen Schicht oder Mottstreuung
bei höheren
Energien treten keine Beugungsreflexe auf und der Effekt der Energiedispersion
existiert nicht. In diesem Fall dient die Blende (
Alternativ
kann eine ferromagnetische Schicht als spinsensitives Streutarget
genutzt werden. Dabei beruht die spinfilternde Wirkung auf der Austauschstreuung
[R. Bertacco, D. Onofrio, F. Ciccaci, Rev. Sci. Instrum. 70 (1999)
3572].
Eine
spezielle Ausführungsart
verwendet zur Strahlführung
ein magnetisches Sektorfeld (
Das ortsauflösende Spinpolarimeter kann auch in energiegefilterten Elektronenmikroskopen eingesetzt werden. Dabei kann die Energieselektion sowohl durch dispersive Energiefilter als auch durch Flugzeitfilterung erfolgen.The spatially resolving Spin polarimeter can also be used in energy-filtered electron microscopes become. The energy selection can be done by dispersive Energy filter as well as by time-of-flight filtering done.
Die erfindungsgemäße Anordnung zur Spinpolarisationsanalyse in einem Elektronenspektrometer nutzt die räumliche Separation von Elektronen mit verschiedenen Eintrittsenergien oder Eintrittswinkeln in der Ebene des Austrittsspalts des Spektrometers aus.The inventive arrangement used for spin polarization analysis in an electron spectrometer the spatial Separation of electrons with different entrance energies or Entry angles in the plane of the exit slit of the spectrometer.
Die
mehrkanalige Polarisationsanalyse eines Energiespektrums ist in
Die
mehrkanalige Polarisationsanalyse einer Winkelverteilung ist in
Nach
einer besonders einfachen Ausführungsart
kann das Streutarget unter Verzicht auf die Transferlinse (
In
der Praxis kann mittels Niederenergiebeugung ein Energieintervall
von bis zu etwa 3 eV simultan erfasst werden. Zur Erweiterung des
nutzbaren Energieintervalls kann ein segmentiertes Streutarget (
- 11
- Streutarget zur Analyse der Spinpolarisationscattering target for analysis of spin polarization
- 22
- Erste elektronenoptische TransferlinseFirst Electron-optical transfer lens
- 33
- Zweite elektronenoptische TransferlinseSecond Electron-optical transfer lens
- 44
- Bildschirm bzw. Zwischenbildebenescreen or intermediate image plane
- 55
- elektronenoptische Achse des einfallenden Strahlselectron optical Axis of the incident beam
- 66
- elektronenoptische Achse des gestreuten Strahlselectron optical Axis of the scattered beam
- 77
- Randstrahlen des Bildesmarginal rays of the picture
- 88th
- Strahlverlauf für die gewünschte Energie (Sollenergie)ray tracing for the desired Energy (energy of interest)
- 99
- Blende zur Energieselektioncover for energy selection
- 1010
- Strahlverlauf für eine niedrigere Energieray tracing for one lower energy
- 1111
- Blende zur Begrenzung des Streuwinkelbereichscover for limiting the scattering angle range
- 1212
- Oberflächennormalesurface normal
- 1313
- Magnetisches Jochmagnetic yoke
- 1414
- Magnetisierungsspulemagnetizing coil
- 1515
- Kontrastblende des Mikroskopscontrast trim of the microscope
- 1616
- Magnetisches Sektorfeld zur Strahlablenkungmagnetic Sector field for beam deflection
- 1717
- Elektronenoptische Transferlinseelectron microscopy transfer lens
- 1818
- ortsauflösender Detektor für die gestreuten ElektronenSpatial resolution detector for the scattered electrons
- 1919
- Außenkugel des Energieanalysatorsoutdoor ball of the energy analyzer
- 2020
- Innenkugel des Energieanalysatorsinnerball of the energy analyzer
- 2121
- Eintrittsspalt des Energieanalysatorsentrance slit of the energy analyzer
- 2222
- Austrittsspalt des Energieanalysatorsexit slit of the energy analyzer
- 2323
- Strahlenbündel des parallel analysierten EnergieintervallsBeam of the parallel analyzed energy interval
- 2424
- Strahlenbündel des parallel analysierten WinkelintervallsBeam of the parallel analyzed angular interval
- 2525
- Retardierungsnetze zur Unterdrückung der inelastisch gestreuten ElektronenRetardierungsnetze for suppression the inelastically scattered electrons
- 2626
- segmentiertes Streutargetsegmented scattering target
- Δα θΔα θ
- Winkeldivergenz des einfallenden Zentralstrahlsangular divergence of the incident central ray
- ΔθΔθ
- Winkeldivergenz der Randstrahlen des einfallenden Elektronenstrahlsangular divergence the marginal rays of the incident electron beam
- DD
- Strahldurchmesser am StreutargetBeam diameter on the scattering target
- Ee
- Elektronenenergieelectron energy
- ΦΦ
- Winkel im Elektronenspektrometerangle in the electron spectrometer
- PP
- Analysierte Komponente des Polarisationsvektorsanalyzed Component of the polarization vector
- Mp M p
- Parallele Komponente der Magnetisierung eines ferromagnetischen Streutargetsparallel Component of magnetization of a ferromagnetic scattering target
- Ms M s
- Senkrechte Komponente der Magnetisierung eines ferromagnetischen Streutargetsvertical Component of magnetization of a ferromagnetic scattering target
- BB
- Magnetfeld senkrecht zur Zeichenebenemagnetic field perpendicular to the drawing plane
Claims (22)
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