DE1922821A1

DE1922821A1 - Cathode to produce spin polarized electron - beams

Info

Publication number: DE1922821A1
Application number: DE19691922821
Authority: DE
Inventors: Zinn Dipl-Phys Dr Rer N Werner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1969-05-05
Filing date: 1969-05-05
Publication date: 1970-11-12

Abstract

The beam is emitted from a medium under the influence of an electric field, this medium being a ferromagnetic semiconductor material. The energy state of the conducting band of the material is maintained by optical and/or thermal excitation with electron, in partial charge carrier injection. The electron cloud, in the medium in the conduction band is a typical and this is achieved by substitution of the cations of the medium with cations of a different value. The cathode is printed with material described over the point itself or forming the point.

Description

Kathode für spinpolarisierte Elektronenstrahlen Die Erfindung betrifft eine Kathode zur Erzeugung von Elektronenstrahlen mit nahezu vollständig spinpolarisierten Elektronen, die von einem Medium der Kathode bei Vorhandensein eines elektrischen Feldes emittiert werden, sowie deren Anwendung in Einrichtungen zur Erzeugung von Elektronenstrahlen.Cathode for spin polarized electron beams The invention relates to a cathode for generating electron beams with almost completely spin-polarized Electrons emitted by a medium of the cathode in the presence of an electrical one Field, as well as their application in facilities for the production of Electron beams.

Bereits im Jahre 1930 sind Vorschläge zur Erzeugung einer Strahlung spinpolarisierter Elektronen mit Hilfe ferromagnetischen Materials gemacht worden.As early as 1930 there were proposals for generating radiation spin-polarized electrons have been made using ferromagnetic material.

Dementsprechende Versuche am Gadolinium zeigten aber, daß der dabei zu wrreichende Polarisationsgrad der Elektronen 10% nicht übersteigt. Derartig schwach polarisierte Elektronenstrahlen finden-aber kein technisches Interesse.Corresponding tests on gadolinium showed that it was The degree of polarization of the electrons to be sufficient does not exceed 10%. So weak polarized electron beams find no technical interest.

Zur Erzeugung von Elektronenstrahlen mit nahezu vollständig spinpolarisierten Elektronen schlägt die Erfindung daher vor, eine Kathode zu verwenden, bei der das die Elektronen emittierende Medium ein ferromagnetischer Halbleiter ist, bei dem insbesondere das Elektronengas im Leitungsband als entartet vorliegt.For the generation of electron beams with almost completely spin-polarized Electrons, the invention therefore proposes to use a cathode in which the the electron-emitting medium is a ferromagnetic semiconductor in which in particular, the electron gas in the conduction band is present as degenerate.

Vorzugsweise ist die Kathode dafür als sogenannte Spitzenkathode, wie sie für Feldemissionen verwendet wird, ausgebildet. Vorteilhaft ist aber auch der Aufbau als Tunnelkathode, bei der der Elektronenaustritt aus dem Medium auf dem Prinzip des quantenmechanischen Tunneleffekts beruht.The cathode is preferably used as a so-called tip cathode, how it is used for field emissions. But it is also advantageous the structure as a tunnel cathode, in which the electrons escape from the medium is based on the principle of the quantum mechanical tunnel effect.

Was unter einem ferromagnetischen Halbleiter zu verstehen ist, geht unter anderem aus der Veröffentlichung in "Zeitschrift für Physik", Band 217, (1968), Seite 91, hervor. Es handelt sich dabei um ein Medium, das eine Bandstruktur aufweist, die vom Halbleiter her bekannt ist und bei dem ein Bandabstand wie bei Halbleitern in der Größe von maximal einigen Elektronenvolt vorliegt, bei dem aber zusätzlich Energieniveaus von Elektronen nicht-vollbesetzter innerer Schalen vorhanden sind. Nichtvollbesetzte innere Schalen treten bekanntlich, insbesondere bei den 3d- und 4f-Übergangs-Elementen bzw.What is meant by a ferromagnetic semiconductor is possible among others from the publication in "Zeitschrift für Physik", Volume 217, (1968), Page 91. It is a medium that has a band structure, which is known from semiconductors and with a band gap as in semiconductors in the size of a maximum of a few electron volts, but in addition Energy levels of electrons in non-fully occupied inner shells are present. Not fully occupied inner shells are known to occur, especially in the 3d and 4f transition elements or

-Kationen, auf. Wie die Bezeichnung 'tSerromagnetisch" schon andeutet, liegt bei einem derartigen Medium für Temperaturen unterhalb der Curie-Temperatur eine einheitliche Ausrichtung der Spinmomente dieser Elektronen des oder der zusätzlichen Niveaus vor. Diese Niveaus bilden im Festkörper im allgemeinen ein oder mehrere schmale Bänder, die dann dementsprechend als magnetische Bänder bezeichnet werden.-Cations, on. As the term 'tSerromagnetic' already suggests, is in such a medium for temperatures below the Curie temperature a uniform alignment of the spin moments of these electrons of the additional Levels before. These levels generally form one or more levels in the solid narrow ribbons, which are then accordingly referred to as magnetic ribbons.

Wie Untersuchungen ergaben, sind beim ferromagnetischen Halbleiter durch Austauschwechselwirkungen zwischen den magnetischen Momenten der Kationen eines magnetischen Bandes und den Elektronen im Valenzband und denen im Leitungsband diese Bänder polarisiert, d.h. in magnetische Subbänder aufgespalten. Das energetische Maß der Auf spaltung des Leitfähigkeitsbandes beträgt 2A = 2 . S .Research has shown that ferromagnetic semiconductors through exchange interactions between the magnetic moments of the cations of a magnetic band and the electrons in the valence band and those in the conduction band these bands are polarized, i.e. split into magnetic sub-bands. The energetic The degree of splitting of the conductivity band is 2A = 2. S.

worin S der Spin des Ions und J der Teil des Austauschintegrals ist, der die Kopplung zwischen den Spinmomenten über die Leitungselektronen beschreibt.where S is the spin of the ion and J is the part of the exchange integral, which describes the coupling between the spin moments via the conduction electrons.

Wie die weiteren Untersuchungen ergaben, erhält man praktisch vollständig spinpolarisierte Leitungselektronen, wenn die Fermikante der Besetzung energetisch derart gelegt ist, daß sie nur innerhalb des einen der beiden magnetischen Subbnder des aufgespaltenen Leitungsbandes verläuft.As the further investigations showed, one obtains practically complete spin-polarized conduction electrons when the Fermi edge of the occupation is energetic is placed in such a way that it is only within one of the two magnetic subbands of the split conduction ligament.

Die größte Dichte bei praktisch vollständig polarisierten Elektronen wird erreicht, wenn die Fermikante mit der unteren Bandkante des energetisch höher liegenden der beiden Subbänder zusammenfällt.The greatest density in practically completely polarized electrons is reached when the Fermi edge with the lower band edge of the energetically higher lying of the two sub-bands coincides.

Ein, sowohl für die erfindungsgemäße Lehre besonders geeignetes, als auch für einen ferromagnetischen Halbleiter typisches Material ist das mit dreiwertigem Gadolinium substituierte- Buropiumsulfid(Bu2+(1 X)Gd3+xo s2 ), das zu der Gruppe der dreiwertig substituierten Buropium-Chalkogenide gehört, die miteinander die gleiche Eigenschaft aufweisen. Mit der Darstellung in Figur 1 wird am Beispiel des Europium-Gadolinium-Sulfids die Bandstruktur eines ferromagnetischen Halbleiters noch näher erläutert: Auf der Ordinate 1 ist die Energie und auf der Abszisse 2 die Dichte der Zustände der beiden möglichen Polarisationsrichtungen aufgetragen. Das Valenzband (VB) ist in die beiden Subbänder 3 und 4 aufgespalten dargestellt. 5 ist das magnetische Band (MB) der Europium-Ionen und 6 das der dotierend wirkenden Gadolinium-Ionen. 7 und 8 sind die beiden Subbänder des aufgespaltenen Leitungsbandes (LB), dessen Verlauf für fehlende Aufspaltung, z.B. oberhalb der Curietemperatur,durch 9 angedeutet ist. Der Abstandspfeil 10 weist auf die energetische AuSspaltung der beiden Subbänder 7 und 8 hin, die auf der Austauschwechselwirkung zwischen den Ionen der magnetischen Bänder und den Leitungselektronen beruht. Ein für die Erfindung besonders geeignetes Medium ist dasjenige, bei dem die Fermikante wie il andeutet gerade-unterhalb des oberen (8) der beiden Subbänder verläuft, so daß nur der energetische Bereich 12 des Subbandes 7 mit Leitungselektronen besetzt ist. Diese Leitungselektronen bewirken nicht nur die elektrische Leitung nach Art eines Halbleiters, sondern diese Elektronen sind auf Grund ihrer Austauschwechselwirkung mit den magnetischen Momenten der Gadolinium-Ionen spinpolarisiert, d.h.A, both for the teaching of the invention particularly suitable, as A typical material for a ferromagnetic semiconductor is that of trivalent Gadolinium substituted- buropium sulfide (Bu2 + (1 X) Gd3 + xo s2) belonging to the group of the trivalent substituted buropium chalcogenides, which together with the have the same property. With the illustration in Figure 1 is the example of Europium gadolinium sulfide the band structure of a ferromagnetic semiconductor explained in more detail: on the ordinate 1 is the energy and on the abscissa 2 the density of the states of the two possible directions of polarization is plotted. The valence band (VB) is shown split into the two subbands 3 and 4. 5 is the magnetic band (MB) of the europium ions and 6 that of the doping ions Gadolinium ions. 7 and 8 are the two sub-bands of the split conduction band (LB), the course of which is due to the lack of splitting, e.g. above the Curie temperature 9 is indicated. The distance arrow 10 points to the energetic splitting of the two sub-bands 7 and 8, which refer to the exchange interaction between the ions the magnetic ribbons and the conduction electrons. One for the invention a particularly suitable medium is that in which the Fermi edge indicates as il runs just below the upper (8) of the two sub-bands, so that only the energetic Area 12 of the subband 7 is occupied with conduction electrons. These conduction electrons cause not only the electrical conduction in the manner of a semiconductor, but this Electrons are due to their exchange interaction with the magnetic Moments of the gadolinium ions spin polarized, i.e.

haben einheitliche Ausrichtung ihrer Spinmomente.have uniform alignment of their spin moments.

Diese in der Figur angegebene Lage der Fermikante 11 im Leitungsband 7 charakterisiert das Medium als Halbleiter mit entartetem Elektronengas. Die energetische Lage der Fermikante ist im wesentlichen durch den Grad x der Substituierung bestimmt. Eine sehr geringe oder gar verschwindende Substituierung mit x->O läßt die Energielage der Fermikante niedriger, insbesondere unterhalb des Leitfähigkeitbandes 7/8 bzw. 9 liegen. In diesem Falle spricht man bekanntlich nicht mehr von einem entarteten Elektronengas. Ein solcher Halbleiter ist aber, wie leicht einzusehen, stets dann noch als erfindungsgemäß vorzusehendes Medium verwendbar, wenn durchan sich bekannte Maßnahmen, z.B. durch thermisde oder optische Anregung, insbesondere aber durch Elektroneninjektion in das Leitungsband für eine u.a. der elektrischen Beitfähigkeit'genügendc Besetzung im Bereich 12 des Subbandes 7 gesorgt wird.This position, indicated in the figure, of the Fermi edge 11 in the conduction band 7 characterizes the medium as a semiconductor with degenerate electron gas. The energetic The position of the Fermi edge is essentially determined by the degree x of the substitution. A very small or even negligible substitution with x-> O leaves the energy level the Fermi edge lower, especially below the conductivity band 7/8 or 9 lie. In this case, as is well known, one no longer speaks of a degenerate Electron gas. However, as is easy to see, such a semiconductor is always then can still be used as a medium to be provided according to the invention, if known per se Measures, e.g. through thermal or optical stimulation, but especially through Injection of electrons into the conduction band is sufficient for, among other things, electrical capacitance Occupation in area 12 of subband 7 is taken care of.

Vorteilhafterweise sollte eine Besetzung des Leitungsbandes nicht wesentlich über den Bereich 12 hinaus das übrige Leiungsband 8/9 erfassen. Für das Europium-Gadolinium-Sulfid haben sich hierfür Substitutionsgrade x bis zu Werten von etwa 0,05 als günstig verwiesen. Für andere entsprechende Verbindungen ferromagnetischer Halbleiter sind hierfür im allgemeinen andere, aber ähnlich liegende Bereiche am vorteilhaftesten.Advantageously, the conduction band should not be occupied cover the rest of the duct band 8/9 substantially beyond the area 12. For the Europium gadolinium sulfide have degrees of substitution x up to values for this of about 0.05 is referred to as favorable. For other corresponding connections more ferromagnetic Semiconductors are generally different, but similar areas on the most advantageous.

Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus den Figuren und der Beschreibung zu besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen hervor.Further details of the invention can be found in the figures and the description to particularly preferred exemplary embodiments.

Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße Kathode in der Ausführung als Spitzenkathode. 21 ist ein Vakuumgefäß mit einem Ansatz 22 zum Anschluß einer Vakuumpumpe. Im Inneren des Gefäßes befindet sich die Kathode 23, die mit einer Spitze 24 versehen ist. Ihr gegenüber ist eine als Anode wirkende Elektrode 25 angeordnet, die die aus 24 austretenden Elektronen beschleunigt und diese als mit 26 angedeutetem Elektronenstrahl aus dem Vakuumgefäß durch eine Öffnung bzw. durch ein Fenster 27 hindurch austreten läßt. 28 und 29 sind elektrische Anschlüsse zum Anschluß einer Spannungsquelle für die Beschleunigungsspannung.Figure 2 shows a cathode according to the invention in the embodiment as Tip cathode. 21 is a vacuum vessel with an attachment 22 for connecting a vacuum pump. Internally of the vessel is the cathode 23, which is with a Point 24 is provided. An electrode 25 acting as an anode is arranged opposite it, which accelerates the electrons emerging from 24 and this as indicated by 26 Electron beam from the vacuum vessel through an opening or through a window 27 can escape through. 28 and 29 are electrical connections for connecting a Voltage source for the acceleration voltage.

Figur 9 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer der Erfindung gemäßen Kathode in der Ausbildung als Tunnelkathode. Diese besteht im wesentlichen aus mehreren Schichten, von denen 31 die insbesondere entartete, ferromagnetische Halbleiterschicht und 32 eine dünne, vom elektrischen Strom zu durchtunnelnde, elektrisch isolierende Schicht ist. 34 und 35 sind Kontaktelektroden, von denen letztere derart als durchtunnelbare dünne Schicht ausgebildet ist, daß die aus 31 und 32 aufgrund einer zwischen den Anschlüssen 36 und 37 für Tunneleffekt optimale, angelegte elektrische Spannung hindurchtunnelnden Elektronen, wie durch die Pfeile 38 angedeutet, aus der Kathode austreten können.Figure 9 shows a preferred embodiment of one of the invention appropriate cathode in training as a tunnel cathode. This essentially consists of several layers, 31 of which are the particularly degenerate, ferromagnetic Semiconductor layer and 32 a thin electrical current to be tunneled through insulating layer is. 34 and 35 are contact electrodes, the latter of which such is designed as a tunnelable thin layer that the from 31 and 32 due to one between the terminals 36 and 37 optimal, applied electrical for tunnel effect Electrons tunneling through voltage, as indicated by the arrows 38, from the cathode can leak.

Kathoden der erfindungsgemäßen Art zur Erzeugung von Elektronenstrahlung mit Elektronen, die im wesentlichen vollständig polarisiert sind, sind vor allem für Untersuchungen in der Hochenergiephysik, z.B. für Quellen spinpolarisierter Elektronenstrahlen für Teilchenbeschleuniger geeignet. Ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet der erfindungsgemäßen Kathoden sind Elektronenmikroskope, Elektronenbeugungsanlagen und elektronische Mikro sonden, insbesondere für die Materialuntersuchung, bei denen die polarisierten Elektronen etwa diejenigen Vorteile gegenüber normalen Elektronen bringen, die vergleichsweise in der Optik bei Untersuchungen mit polarisiertem Licht gegenüber mit normalem Licht erreichbar sind.Cathodes of the type according to the invention for generating electron beams with electrons that are essentially completely polarized are above all for investigations in high-energy physics, e.g. for sources of spin-polarized Electron beams suitable for particle accelerators. Another important area of application of the cathodes according to the invention are electron microscopes, electron diffraction systems and electronic micro probes, especially for material analysis, where the polarized electrons have roughly those advantages over normal electrons bring that comparatively in optics in examinations with polarized light can be reached with normal light.

1 4 Patentansprüche 3 Figuren1 4 claims 3 figures

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Cathode for generating electron beams with almost completely spin-polarized electrons emitted by a medium in the presence an electric field can be emitted n e t that a ferromagnetic semiconductor is provided as the medium.

2. Cathode according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that energy states of the conduction band of the medium by optical and / or thermal excitation are occupied with electrons.

3. Cathode according to claim 1 or 2, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that energy states of the conductive band of the medium are caused by charge carrier injection are occupied with electrons.

4. Cathode according to claim 1, 2 or 3, d a d u r c h g e -k e n n z It is clear that in the medium the electron gas in the conduction band has degenerated.

5. Cathode according to claim 1, 2, 3 or 4, a a d u r c h g e -k e n It is not stated that the degeneration is caused by the substitution of cations in the medium is caused by other valued cations.

6. Cathode according to one of claims 1 to 5, d a d u r c h g e k e n n Z e i c h n e t that it is designed as a tip cathode, whereby the Medium is essentially located on the tip of the cathode or the tip itself forms.

7. Cathode according to one of claims 1 to 5, d a d u r c h g e k e It is noted that it is used as a tunnel cathode with essentially one layer from the medium, a thin, electrically insulating layer to be tunneled through and an electrically conductive tunnelable electrode layer, as well as one further electrode is formed.

8. Cathode according to one of claims 1 to 7, d a d u r c h g e k e It should be noted that the medium is a europium2 + chalcogenide substituted with trivalent atoms of one or more of the rare earths.

9. The cathode of claim 8, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that the medium is an Eu1 XGd) + S2.

10. Cathode according to claim 8 or 9, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that the doping level x lies in the range between x = 0 and x = 0.05.

11. Cathode according to one of claims 1 to 7, d a d u r c h g e k It should be noted that the medium is a binary chromium chalcogenide. with spinel structure is.

12. Cathode according to claim 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t that the medium is copper chromium sulfide (CuOr2S4).

13. Application of a cathode according to one of claims 1 to 12, as Source of spin-polarized electrons for particle accelerators.

14. Use of a cathode according to one of claims 1 to 12, as Source for spin-polarized electrons for an electron microscope, an electron diffraction system or an electronic micro probe.

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