DE10339404B4

DE10339404B4 - Arrangement for the analysis of the electron spin polarization in parallel imaging electron microscopes

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Publication number: DE10339404B4
Application number: DE10339404A
Authority: DE
Original assignee: GST MBH
Current assignee: GST MBH
Priority date: 2003-04-02
Filing date: 2003-08-27
Publication date: 2009-03-05
Anticipated expiration: 2023-08-28
Also published as: DE10339404A1

Abstract

Anordnung zum Nachweis der Elektronenspin-Polarisation in abbildenden Elektronenmikroskopen, welche einen zur Abbildung gelangenden Elektronenstrahl mittels eines polarisationssensitiven Streutargets auf seinen Spin-Polarisationsgrad und die Richtung des Spin-Polarisationsvektors hin analysiert, dadurch gekennzeichnet, dass das Streutarget als im direkten Abbildungsstrahlengang des Elektronenmikroskops angeordnete semitransparente ferromagnetische Folie (1) ausgebildet ist, die zur Spinfilterung des Bildes in einem Bereich (3) strahlabwärts der Folie dient.arrangement for the detection of electron spin polarization in imaging electron microscopes, which an electron beam reaching for imaging by means of of a polarization-sensitive scattering target on its degree of spin polarization and analyzing the direction of the spin polarization vector, thereby characterized in that the scattering target than in the direct imaging beam path the electron microscope arranged semitransparent ferromagnetic Foil (1) is formed, which for spin-filtering the image in one Area (3) downstream the foil serves.

Description

Bei mehreren elektronenmikroskopischen Untersuchungsmethoden an magnetischen Proben wird die Elektronenspin-Polarisation nachgewiesen bzw. ausgenutzt. Bekannte Beispiele sind die Rasterelektronenmikroskopie mit Polarisationsanalyse (SEMPA), die spinpolarisierte Niederenergie-Elektronenmikroskopie (SP-LEEM) oder die spinpolarisierte Photoemissions-Elektronenmikroskopie (SP-PEEM). Bei all diesen Verfahren trägt die Spinpolarisation der zum Nachweis gelangenden Elektronen oder die damit verbundene Streuasymmetrie eine wichtige Information über die Magnetisierungsstruktur der untersuchten Probe.at several electron microscopic examination methods on magnetic Samples, the electron spin polarization is detected or exploited. Known examples are Scanning Electron Microscopy with Polarization Analysis (SEMPA), spin polarized low energy electron microscopy (SP-LEEM) or spin-polarized photoemission electron microscopy (SP-PEEM). at carries all these procedures the spin polarization of the electron reaching for detection or the associated scattering asymmetry an important information about the Magnetization structure of the examined sample.

Bei der SEMPA-Methode, erstmals von K. Koike und K. Hayakawa eingesetzt [ DE 3504720 A1 ; JP 61283890 A , Japanese Journal of Appl. Phys. 23 (1984) L187], wird ein fein fokussierter Elektronenstrahl über die Probe gerastert und die Spinpolarisation der bei der Streuung entstehenden Sekundärelektronenkaskade in einem separaten Spinpolarisations-Analysator hinter einer Extraktions-Elektronenoptik nachgewiesen.In the SEMPA method, first used by K. Koike and K. Hayakawa [ DE 3504720 A1 ; JP 61283890 A , Japanese Journal of Appl. Phys. 23 (1984) L187], a finely focused electron beam is scanned over the sample and the spin polarization of the scattering secondary electron cascade detected in a separate spin polarization analyzer behind an extraction electron optics.

Bei der SP-LEEM-Methode [z. B. E. Bauer in "Low Energy Electron Microscopy", Rep. Prog. Phys. 57(9), Sept. 1994] wird ein paralleler Elektronenstrahl an einer einkristallinen Probenoberfläche bei sehr niedrigen Energien im Bereich weniger Elektronenvolt gebeugt. Bei ferromagnetischen Proben verursacht die Austauschstreu-Asymmetrie eine Spinabhängigkeit im Streuprozess. Bei Verwendung einer spinpolarisierten Elektronenquelle für den Primärstrahl tritt in Abhängigkeit von der lokalen Magnetisierungsrichtung der Probe ein magnetischer Kontrast auf. Bei einem unpolarisierten Primärstrahl erzeugt der gleiche Mechanismus eine Spinpolarisation des gebeugten Strahls.at the SP LEEM method [e.g. B. Bauer in "Low Energy Electron Microscopy", Rep. Prog. Phys. 57 (9) Sept. 1994] becomes a parallel electron beam at a monocrystalline sample surface diffracted at very low energies in the range of a few electron volts. For ferromagnetic samples, the exchange litter asymmetry causes a spin dependence in the scattering process. When using a spin-polarized electron source for the primary beam occurs in dependence from the local magnetization direction of the sample, a magnetic Contrast on. When an unpolarized primary beam produces the same Mechanism a spin polarization of the diffracted beam.

Bei der SP-PEEM-Methode wird ausgenutzt, dass auch die mittels Licht aus Ferromagneten ausgelösten Photoelektronen eine Spinpolarisation tragen. Im Instrument von Koike [ JP 59079948 A ] wir eine lokale Spinanalyse mit einem Mottdetektor hinter einem Loch im Leuchtschirm durchgeführt.The SP-PEEM method makes use of the fact that the photoelectrons released by means of light from ferromagnets also carry a spin polarization. In the instrument by Koike [ JP 59079948 A ] we performed a local spin analysis with a mottled detector behind a hole in the fluorescent screen.

Bei allen drei Methoden ist die Größe der Spinpolarisation ein Maß für die lokale Probenmagnetisierung. Außerdem besteht eine direkte Korrelation zwischen der Richtung des Spinpolarisationsvektors der Elektronen und der Richtung der lokalen Magnetisierung der Probe. Die Methoden sind daher geeignet, die magnetische Domänenstruktur von ferromagnetischen Proben direkt abzubilden bzw. dynamische Effekte, wie z. B. das Verhalten der Magnetisierung bei ultraschnellen Anregungsprozessen, zeitlich aufgelöst zu verfolgen.at All three methods are the size of the spin polarization a measure of the local Sample magnetization. Furthermore there is a direct correlation between the direction of the spin polarization vector the electrons and the direction of local magnetization of the sample. The methods are therefore suitable, the magnetic domain structure directly from ferromagnetic samples or dynamic effects, such as B. the behavior of magnetization in ultrafast excitation processes, temporally resolved to pursue.

Die vorliegende Erfindung löst durch das kennzeichnende Merkmal des Patentanspruchs 1 die Aufgabe, die Polarisation der zur Abbildung gelangenden Elektronen durch eine in die elektronenoptische Säule integrierte Anordnung zu messen. Das Verfahren ist für Niederenergie-Elektronenmikroskope geeignet, wobei zur Spinpolarisations-Analyse das bekannte Prinzip der spinabhängigen Transmission durch dünne ferromagnetischen Folien ausgenutzt wird. Vorteile der erfindungsgemässen Anordnung gegenüber bisherigen Ansätzen sind der wesentlich einfachere Aufbau, der geringe Justieraufwand, die Erhaltung einer linearen elektronenoptischen Achse, die nahezu vollständige Eliminierung von apparativen Asymmetrien durch den wohldefinierten Strahlengang und durch die geringe Energiebreite des Elektronenstrahls im Mikroskop sowie die Möglichkeit der präzisen Positionierung des zu analysierenden Probenbereiches im Bild. Transmissive Folien in Elektronenmikroskopen wurden in der Vergangenheit im Zusammenhang mit Phasenplatten beschrieben [ DE 101 14 949 A1 ].The present invention solves by the characterizing feature of claim 1, the task of measuring the polarization of the imaging electron by an integrated into the electron-optical column assembly. The method is suitable for low-energy electron microscopes, wherein the known principle of spin-dependent transmission through thin ferromagnetic films is exploited for spin polarization analysis. Advantages of the inventive arrangement over previous approaches are the much simpler structure, the low Justieraufwand, the preservation of a linear electron optical axis, the almost complete elimination of apparative asymmetries through the well-defined beam path and the low energy width of the electron beam in the microscope and the possibility of precise positioning of the sample area to be analyzed in the picture. Transmissive films in electron microscopes have been described in the past in connection with phase plates [ DE 101 14 949 A1 ].

Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:exemplary embodiments The invention will be explained in more detail with reference to the drawings. It demonstrate:

1 die schematische Darstellung der erfindungsgemässen Anordnung auf der Basis einer semitransparenten polarisationssensitiven Folie (1) in einer Bildebene oder Zwischenbildebene (5), so daß auf dem Leuchtschirm (4) ein spingefiltertes Bild (3) sichtbar wird, 1 the schematic representation of the inventive arrangement on the basis of a semi-transparent polarization-sensitive film ( 1 ) in an image plane or intermediate image plane ( 5 ), so that on the screen ( 4 ) a spin filtered image ( 3 ) becomes visible

2a–c die schematische Darstellung von verschiedenen Typen von Folienhaltern bei Blickrichtung entlang der elektronenoptischen Achse, und 2a -C is the schematic representation of different types of film holders viewed along the electron optical axis, and

3a–b zwei Bewegungsmechanismen für den Folienhalter. 3a -B two movement mechanisms for the film holder.

Die erfindungsgemässe Anordnung zur Spinpolarisationsanalyse nutzt die räumliche Separation von Elektronen aus verschiedenen Probenbereichen in oder in der Nähe der Bildebene oder einer Zwischenbildebene (5) eines parallel abbildenden Elektronenmikroskops aus. Das Analysiervermögen der Anordnung beruht auf der spinabhängigen Transmission einer dünnen ferromagnetischen Folie. Diese Folie (1) hat eine definierte Grösse und befindet sich im direkten Abbildungsstrahlengang auf oder in der Nähe der elektronenoptischen Achse (2) des Mikroskops. 1 zeigt den schematischen Aufbau einer bevorzugten Ausführungsform in der Säule eines beliebigen parallel abbildenden Elektronenmikroskops. Die Folie (1) ist in oder in der Nähe der Bildebene (5), z. B. unmittelbar vor dem Leuchtschirm (4), oder alternativ in einer Zwischenbildebene angebracht. Die Grösse der Folie und die elektronenoptische Vergrösserung des Mikroskops definieren den Mikrobereich auf der Probe, der auf die lokale Magnetisierung hin analysiert wird. Bei einem Durchmesser der Folie von 1 mm und einer typischen Vergrösserung von 5000 ergibt sich ein Durchmesser des analysierten Bereichs auf der Probe von 200 nm. Durch Variation des Vergrösserungsfaktors lässt sich der analysierte Bereich vergrössern oder verkleinern. Prinzipiell sind Ortsauflösungen von besser als 50 nm erreichbar. Durch laterale Verschiebung der Probe lässt sich der Bereich auf der Probenoberfläche positionieren. Dabei ermöglicht der Schattenwurf des Folienhalters im Bild eine präzise Positions- und Größenbestimmung, siehe 2a.The arrangement according to the invention for spin polarization analysis makes use of the spatial separation of electrons from different sample areas in or in the vicinity of the image plane or an intermediate image plane (US Pat. 5 ) of a parallel imaging electron microscope. The analysis capability of the device is based on the spin-dependent transmission of a thin ferromagnetic film. This slide ( 1 ) has a defined size and is located in the direct imaging beam path on or in the vicinity of the electron-optical axis ( 2 ) of the microscope. 1 shows the schematic structure of a preferred embodiment in the column of any parallel imaging electron microscope. The foil ( 1 ) is in or near the image plane ( 5 ), z. B. directly in front of the screen ( 4 ), or alternatively mounted in an intermediate image plane. The size of the film and the electron-optical magnification of the microscope define the Micro region on the sample, which is analyzed for local magnetization. With a diameter of the film of 1 mm and a typical magnification of 5000, a diameter of the analyzed area on the sample of 200 nm results. By varying the magnification factor, the analyzed area can be enlarged or reduced. In principle, spatial resolutions better than 50 nm can be achieved. By lateral displacement of the sample, the area can be positioned on the sample surface. The shadow cast of the film holder in the picture enables precise position and size determination, see 2a ,

Die erfindungsgemässe Anordnung nutzt ferner aus, dass in der elektronenoptischen Säule eines parall abbildenden Elektronenmikroskops eine sehr gute Definition des Elektronenstrahls im Bezug auf seinen Einfallswinkel, die damit verbundene Winkeldivergenz und seine Energie vorliegt. Aus der Streuasymmetrie der Elektronenintensitäten I₁ und I₂ lässt sich gemäss der Formel P = (I₁ – I₂)/S(I₁ + I₂) die Elektronen-Spinpolarisation bestimmen, vergleiche J. Kessler [„Polarized Electrons", Springer Verlag, Berlin (1976) S. 77]. Die Asymmetriefunktion S, im Fall der Mott-Streuung auch Sherman-Funktion genannt, ist eine material-, energie- und geometrieabhängige Konstante. Typische Werte von S für auf Streuung basierende Detektoren liegen je nach Streutarget und Energie bei S = 0,1 bis 0,4.The arrangement according to the invention also makes use of the fact that a very good definition of the electron beam with respect to its angle of incidence, the angle divergence associated therewith and its energy is present in the electron-optical column of a parallel-imaging electron microscope. From the scattering asymmetry of the electron intensities I ₁ and I ₂ , the electron spin polarization can be determined according to the formula P = (I ₁ -I ₂ ) / S (I ₁ + I ₂ ), cf. J. Kessler ["Polarized Electrons", Springer Verlag, Berlin (1976) p. 77] The asymmetry function S, also called the Sherman function in the case of Mott scattering, is a material-, energy-, and geometry-dependent constant, and typical values of S for scattering-based detectors are different Scattering target and energy at S = 0.1 to 0.4.

Die transmittierten Intensitäten I₁ und I₂ lassen sich bestimmen, wenn die Richtung des Magnetisierungsvektors der ferromagnetischen Folie umgepolt werden kann. Dies ist z. B. mittels einer Mikrospule in der Nähe des Streutargets oder auch mittels eines Strompulses durch den Trägerstab (8) des Targets möglich, wie in 2c beschrieben ist. Die Spinpolarisation des analysierten Elektronenstrahls, siehe Vektor P in 1, berechnet sich nach der oben angegebenen Formel, wobei die Grössen I₁ und I₂ die für die beiden Richtungen des Magnetisierungsvektors (parallel und antiparallel zu P) gemessenen Intensitäten hinter der Folie repräsentieren. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Magnetisierungsrichtung des Streutargets entlang zweier zueinander orthogonaler Richtungen eingestellt werden, um so beide entsprechenden Komponenten des Spinpolarisationsvektors bestimmen zu können.The transmitted intensities I ₁ and I ₂ can be determined if the direction of the magnetization vector of the ferromagnetic film can be reversed. This is z. Example by means of a micro-coil in the vicinity of the scattering target or by means of a current pulse through the support rod ( 8th ) of the target possible, as in 2c is described. The spin polarization of the analyzed electron beam, see vector P in 1 , Is calculated according to the above formula wherein the variables representing for the two directions of the magnetization vector measured (parallel and anti-parallel to P) intensities behind the film I ₁ and I _2nd In a preferred embodiment, the magnetization direction of the scattering target can be adjusted along two mutually orthogonal directions so as to be able to determine both corresponding components of the spin polarization vector.

Dünne ferromagnetische Filme im Dickenbereich weniger Nanometer wirken als effiziente Spinfilter mit einer sehr hohen Analysierfähigkeit [G. Schönhense und H. C. Siegmann, Ann. der Physik 2 (1993) 465]. Bei niedrigen Einfallsenergien wirkt ein dünner ferromagnetischer Film als sehr effektiver Absorber für eine Spinrichtung, da im ferromagnetischen Material Elektronen mit Minoritäts-Spinrichtung wesentlich stärker gestreut und absorbiert werden, als solche mit Majoritäts-Spinrichtung. Der von der Folie (1) transmittierte Strom kann somit als Maß für die Spinpolarisation genutzt werden, weil diese die eine Spinrichtung bevorzugt durchlässt, während die andere stärker absorbiert wird. Bei dieser Anordnung erscheint hinter der ferromagnetischen Folie im Bereich (3) ein spingefiltertes Bild auf dem Leuchtschirm (4). Im analysierten Bereich (3) ist das Bild allerdings nur mit einer um 2–3 Grössenordnungen geschwächten Intensität sichtbar. Um den Bereich (3) in guter Qualität sichtbar zu machen, kann der übrige Bereich des Leuchtschirms (4) durch geeignete Maßnahmen abgedeckt oder ausgeblendet werden. Die Folie kann z. B. durch ein feinmaschiges Netz und einen oder mehrere Haltestäbe (8) getragen werden, um genügend Stabilität zu erreichen. Da die maximale Analysierstärke bei diesem Verfahren bei sehr kleinen Elektronenenergien auftritt, müssen die zu analysierenden Elektronen vor der Folie auf Energien von wenigen Elektronenvolt abgebremst werden. Dazu kann z. B. eine miniaturisierte Anordnung von Retardierungsnetzen dienen. Bei der Abbildung einer Probe mit magnetischen Domänen wird hinter der ferromagnetischen Folie (1) direkt der Domänenkontrast in Folge der spinfilternden Wirkung der Folie sichtbar. Inhomogenitäten in der Folie können durch eine geeignete Differenzbildtechnik, z. B. durch Division des Bildes durch ein Referenzbild einer strukturlosen Probe, eliminiert werden. Die ferromagnetische Folie kann direkt vor dem Leuchtschirm (4) oder auch in einer Zwischenbildebene (5) im Strahlengang angeordnet werden.Thin ferromagnetic films in the thickness range of a few nanometers act as efficient spin filters with a very high analyzability [G. Schönhense and HC Siegmann, Ann. Physics 2 (1993) 465]. At low incident energies, a thin ferromagnetic film acts as a very effective absorber for a spin because, in the ferromagnetic material, electrons with minority spin are much more scattered and absorbed than those with majority spin. The of the film ( 1 ) transmitted current can thus be used as a measure of the spin polarization, because it allows the one spin preferably passes, while the other is absorbed more strongly. In this arrangement appears behind the ferromagnetic film in the area ( 3 ) a spin filtered image on the screen ( 4 ). In the analyzed area ( 3 ), however, the picture is only visible with a weakened by 2-3 orders of magnitude intensity. To the area ( 3 ) in good quality, the remaining area of the screen ( 4 ) are covered or hidden by appropriate measures. The film can z. B. by a fine mesh and one or more support rods ( 8th ) to achieve sufficient stability. Since the maximum analysis power in this process occurs at very low electron energies, the electrons to be analyzed have to be braked before the foil to energies of a few electron volts. This can z. B. serve a miniaturized arrangement of Retardierungsnetzen. When imaging a sample with magnetic domains behind the ferromagnetic film ( 1 ) directly the domain contrast due to the spin filtering effect of the film visible. Inhomogeneities in the film can be achieved by a suitable differential imaging technique, for. Example, by dividing the image by a reference image of a structureless sample eliminated. The ferromagnetic foil can be directly in front of the screen ( 4 ) or in an intermediate image plane ( 5 ) are arranged in the beam path.

Die longitudinale Komponente des Spinpolarisationsvektors entlang der optischen Achse (2) kann mit der in 1 dargestellten Anordnung mit einer senkrecht magnetisierten ferromagnetischen Folie (1) detektiert werden.The longitudinal component of the spin polarization vector along the optical axis ( 2 ) can with the in 1 illustrated arrangement with a vertically magnetized ferromagnetic film ( 1 ) are detected.

2a zeigt eine Folie (1) in einer symmetrischen Aufhängung mit dünnen Stäben (8) unter jeweils 120°. 2b zeigt eine Folie (1) auf einem einzelnen stabförmigen Halter (8). 2c zeigt eine Folie (1) auf einem durchgehenden Stab (8). Diese Anordnung kann bevorzugt für die Magnetisierung der ferromagnetischen Folie (1) eingesetzt werden. Ein Strompuls +I durch den Stab (8) dient zur Aufmagnetisierung der Folie in Richtung +M. Durch Umkehrung der Strompulsrichtung nach –I kann die Magnetisierungsrichtung auf einfache Art nach –M umgeschaltet werden. 2a shows a foil ( 1 ) in a symmetrical suspension with thin rods ( 8th ) under 120 ° each. 2 B shows a foil ( 1 ) on a single rod-shaped holder ( 8th ). 2c shows a foil ( 1 ) on a continuous rod ( 8th ). This arrangement may be preferred for the magnetization of the ferromagnetic foil ( 1 ) are used. A current pulse + I through the rod ( 8th ) serves to magnetize the film in the + M direction. By reversing the current pulse direction to -I, the magnetization direction can be switched to -M in a simple way.

Man erkennt an den Darstellungen in 2a–c, dass die Abschattung des elektronenoptischen Bildes für viele Anwendungsfälle toleriert werden kann.One recognizes the representations in 2a -C that shading of the electron-optical image can be tolerated for many applications.

Alternativ lässt sich, wie in 3 dargestellt, die Folie (1) mittels eines Klappmechanismus (3a) oder eines Schiebemechanismus (3b) bei Bedarf aus dem bzw. in den Strahlengang des Mikroskops heraus- oder hineinbewegen.Alternatively, as in 3 shown, the film ( 1 ) by means of a folding mechanism ( 3a ) or a sliding mechanism ( 3b ) If necessary, from or into the beam path of Mi move the microscope out or in.

11: Dünne ferromagnetische FolieThin ferromagnetic foil
22: elektronenoptische Achseelectron optical axis
33: spingefiltertes Bildspin filtered image
44: Leuchtschirmfluorescent screen
55: Bildebene oder Zwischenbildebeneimage plane or intermediate image plane
66: elektronenoptische Linseelectron optical lens
77: Randstrahlen des Bildesmarginal rays of the picture
88th: Haltestabretaining bar
PP: Polarisationsvektor des analysierten Elektronenstrahlspolarization vector of the analyzed electron beam
+M, –M+ M, -M: Magnetisierungsrichtungen der Foliemagnetization directions the foil
+I, –I+ I, -I: Stromrichtungen des Magnetisierungspulsescurrent directions of the magnetization pulse

Claims

Arrangement for detecting the electron spin polarization in imaging electron microscopes, which analyzes an electron beam for imaging by means of a polarization-sensitive scattering target on its spin polarization degree and the direction of the spin polarization vector, characterized in that the scattering target as arranged in the direct imaging beam path of the electron microscope semitransparent ferromagnetic foil ( 1 ), which is used for spin-filtering the image in a region ( 3 ) downstream of the film.

Arrangement according to claim 1, characterized that the spin polarization from the spin-dependent transmission of the ferromagnetic Slide is determined.

Arrangement according to one of claims 1-2, characterized in that the magnetization direction M of the ferromagnetic film ( 1 ) can be reversed or rotated by 90 ° in order to analyze both transverse components of the spin polarization vector P.

Arrangement according to one of claims 1-3, characterized in that the ferromagnetic foil ( 1 ) receives the image, so that behind the film a spin filtered image ( 3 ) becomes visible on the screen.

Arrangement according to one of claims 1-4, characterized in that the film ( 1 ) in or near the image plane or an intermediate image plane ( 5 ) to define the analyzed sample area.

Arrangement according to claim 1, characterized in that the film ( 1 ) is fixedly mounted in the imaging beam path.

Arrangement according to claim 1, characterized in that the film ( 1 ) can be moved into the imaging beam path and moved out of the beam path.

Arrangement according to one of claims 1-7, characterized in that the film ( 1 ) on or near the electron optical axis ( 2 ) is attached.

Arrangement according to one of Claims 1-8, characterized in that the film holder is miniaturized in such a way that it displays the electron-optical image on the luminescent screen ( 4 ) or in an intermediate image plane ( 5 ) shaded only in a small area.

Arrangement according to one of claims 1-9, characterized that the position of the sample area to be analyzed by lateral Displacement of the sample or corresponding electron-optical deflection selected can be.

Arrangement according to one of claims 1-10, characterized that the size of the sample area to be analyzed by variation of the lateral Enlargement of the microscope selected can be.