DE19842476C1 - Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung des Spin-Polarisationsgrades eines Elektronenstrahls - Google Patents

Abstract

Bei einer Vorrichtung zur Spin-Polarisationsmessung mit einer elektronenoptischen Ablenkeinheit (11), mindestens einem Einkristalltarget (15) und einem ersten Detektor (16), wobei die Ablenkeinheit (11) zur nicht-senkrechten Bestrahlung des Einkristalltargets (15) und der Detektor (16) zur Erfassung eines am Einkristalltarget (15) spiegelnd reflektierten Elektronenstrahl eingerichtet sind, ist eine Einfallswinkel-Stelleinrichtung (12) vorgesehen, die zur Bestrahlung des Einkristalltargets (15) unter zwei vorbestimmten Einfallswinkeln (alpha, -alpha) gleichen Betrages und entgegengesetzter Orientierung eingerichtet ist, wobei der erste Detektor (16) zur Erfassung des spiegelnd reflektierten Elektronenstrahls entsprechend dem ersten Einfallswinkel (alpha) und ein zweiter Detektor (17) zur Erfassung des spiegelnd reflektierten Elektronenstrahls entsprechend dem zweiten Einfallswinkel (-alpha) eingerichtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung des Spin-Polarisationsgrades eines Elektronenstrahl auf der Grund­ lage der Messung von Intensitätsasymmetrien bei der Beugung von Elektronen an Atomen eines Targets durch Spin-Bahn-Kopplung.

Aus DE-PS 26 46 394 ist eine gattungsgemäße Vorrichtung be­ kannt, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist. Die herkömmliche Vor­ richtung gemäß Fig. 4 umfaßt eine Zylinderlinse 1, mit der die Elektronen mit einer Energie E₀ zunächst in vorbestimmter Weise beschleunigt oder verzögert werden, einen Ablenkkondensator 2, der als Energiefilter wirkt, eine weiter Zylinderlinse 3 zur Beschleunigung der Elektronen auf den Kristall 4 und zwei unter vorbestimmten Winkeln gegenüber dem Kristall 4 ausgerichteten Sekundärelektronenvervielfachern, die jeweils einen Gitterfil­ ter 6 aufweisen. Der Detektionsbereich ist durch ein feinma­ schiges Wolfram-Drahtgitter (gestrichelt gezeichnet) abge­ schirmt.

Die bekannte Vorrichtung funktioniert allgemein nach dem fol­ genden Prinzip. Die Beugung niederenergetischer Elektronen an Einkristalloberflächen ist aufgrund der Spin-Bahn-Kopplung bei der Wechselwirkung zwischen einfallenden Elektronen und Atomen des Einkristalls abhängig von der Spin-Polarisation der Elek­ tronen. Es treten bei Einkristallbestrahlungen unter gleichen, jedoch zueinander komplementären Einfallswinkeln Intensi­ tätsasymmetrien in den abgebeugten Elektronenstrahlen auf.

Durch eine quanitative Erfassung der Intensitätsasymmetrie kann auf den Spin-Polarisationsgrad der einfallenden Elektronen rückgeschlossen werden. In Bezug auf Einzelheiten dieses Meß­ prinzips wird auf DE-PS 26 46 394 Bezug genommen, wobei die dort enthaltene Beschreibung des Meßprinzips bei der Bestimmung des Spin-Polarisationsgrades voll in die vorliegende Beschrei­ bung einbezogen wird.

Eine Besonderheit der Vorrichtung gemäß Fig. 4 besteht darin, daß die Elektronen vor Einfall auf dem Einkristall auf eine derartige Energie E_s beschleunigt werden, daß höhere Beugungs­ ordnungen entsprechend der Bragg'schen Beugungsbedingungen be­ obachtet und in Bezug auf die Intensitätsasymmetrien gemessen werden.

Die aus DE-PS 26 46 394 bekannte Messung unter Auswertung höhe­ rer Beugungsordnungen besitzt die folgenden Nachteile. Die her­ kömmliche Vorrichtung besitzt eine sehr geringe Nachweiswahr­ scheinlichkeit. Der einfallende Elektronenstrahl wird im we­ sentlichen fast vollständig vom Einkristall aufgenommen. Die Wahrscheinlichkeit, daß mit den Sekundärelektronenvervielfa­ chern überhaupt Elektronen gemessen werden können (Nachweis­ wahrscheinlichkeit), beträgt bei der herkömmlichen Vorrichtung rund 10^-4 in Bezug auf den einfallenden Primärstrahl. Ein wei­ terer Nachteil besteht in der geringen Polarisationsempfind­ lichkeit. Die Polarisationsempfindlichkeit beschreibt die ge­ messene Strahlasymmetrie für den Fall eines 100%ig polarisier­ ten einfallenden Strahls. Bei der herkömmlichen Vorrichtung be­ trägt die Polarisationsempfindlichkeit nur rund 25%.

Aus SU 1068854 ist eine weitere gattungsgemäße Meßvorrichtung bekannt, die in Fig. 5 dargestellt ist. Fig. 5 zeigt einen ge­ genüber der Vorrichtung gemäß Fig. 4 analogen Aufbau (Komponen­ ten mit gleichen Funktionen sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen). Die Elektronen, deren Spin-Polarisationsgrad gemes­ sen werden soll, treten mit einer Energie E₀ durch eine erste Linse 1 und von dieser durch einen als Monochromater 2 wirken­ den Kugelkondensator. Anschließend erfolgt durch die fokussie­ rende Linse 3 der Einfall auf das Target 4. Als Detektor ist ein Elektronenkollektor 5 vorgesehen.

Die Besonderheit der Vorrichtung gemäß Fig. 5 besteht darin, daß nicht die höheren Beugungsordnungen des Elektronenstrahls, sondern der spiegelnd reflektierte Elektronenstrahl mit dem Elektronenkollektor 5 gemessen wird. Zur Ermittlung der Inten­ sitätsasymmetrie wird der Einkristall 4 unter verschiedenen Einfallswinkeln bestrahlt. Zur Bestrahlung unter verschiedenen Einfallswinkeln wird der Einkristall 4 mit einer Dreheinrich­ tung 7 gedreht.

Mit der Vorrichtung gemäß Fig. 5 wird zwar, da der spiegelnd relektierte Elektronenstrahl gemessen wird, eine erhöhte Nach­ weiswahrscheinlichkeit erwartet. Diese Vorrichtung besitzt je­ doch entscheidende Nachteile, durch die ein praktischer Einsatz als Meßanordnung ausgeschlossen ist. Diese Nachteile sind ins­ besondere mit der mechanischen Bewegung des Einkristalls in Be­ zug auf den Primärstrahl verbunden. Es sind hochpräzise mecha­ nische Verstellbewegungen erforderlich, um den Einkristall 4 und den Elektronenkollektor 5 zu drehen. Das Antriebssystem 7 besitzt daher einen aufwendigen und komplizierten Aufbau und ist langsam bzw. schwergängig. Da die gattungsgemäßen Spin- Polarisationsmessungen unter Ultrahochvakuum erfolgen, ergibt sich ein weiterer Nachteil aus den mechanischen Verstellbewe­ gungen. Bei jeder Bewegung erfolgt durch die Reibung der anein­ andergrenzenden mechanischen Teile die Ausbildung von Druckstö­ ßen, die das Vakuum verschlechtern bzw. eine Meßungenauigkeit einführen.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zur Bestimmung des Spin-Polari­ sationsgrades eines Elektronenstrahls anzugeben, mit denen die Nachteile der herkömmlichen Anordnungen überwunden und insbe­ sondere eine hohe Nachweiswahrscheinlichkeit erzielt werden.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 bzw. 9 gelöst. Vorteilhaf­ te Ausführungsformen und Verwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung stellt eine Weiterentwick­ lung einer Spin-Polarisationsmessung am spiegelnd reflektierten Elektronenstrahl gemäß Fig. 5 dahingehend dar, daß mindestens eine Oberfläche eines Einkristall-Targetmaterials derart in Be­ zug auf einen einfallenden Primärstrahl positioniert wird, daß eine Bestrahlung mit zwei Einfallswinkeln gleichen Betrages und entgegengesetzter Orientierung erfolgt, wobei zwei Detektorein­ richtungen vorgesehen sind, die zur Erfassung des spiegelnd re­ flektierten Elektronenstrahls jeweils entsprechend zu einer der beiden Einfallsrichtungen vorgesehen sind. Zur erfindungsgemä­ ßen Bestrahlung mit zwei Einfallsrichtungen ist eine Einfalls­ winkel-Stelleinrichtung vorgesehen.

Die Erfindung wird mit verschiedenen Arten von Einfallsrich­ tung-Stelleinrichtungen (im folgenden kurz: Stelleinrichtung) implementiert. Gemäß einer ersten Ausführungsform ist eine elektrische Stelleinrichtung in Form eines Ablenksystems für die Elektronen des Primärstrahles vorgesehen. Diese Ausfüh­ rungsform besitzt den besonderen Vorteil einer ortsfesten Tar­ getanordnung. Gemäß einer zweiten Ausführungsform ist eine me­ chanische Stelleinrichtung vorgesehen, bei der das Target mit einer Kippeinrichtung zwischen zwei Positionen verschwenkbar ist, die den beiden Einfallswinkeln entsprechen. Diese Ausfüh­ rungsform besitzt den Vorteil eines besonders einfachen Auf­ baus. Gemäß einer dritten Ausführungsform ist eine elektrische Stelleinrichtung in Form eines Strahlteilersystems vorgesehen. In diesem Fall besteht die Oberfläche des bestrahlten Targetma­ terials aus räumlich getrennten Teilen, die einzeln zur Be­ strahlung jeweils mit einem der Einfallswinkel angeordnet sind. Daraus ergibt sich wie bei der ersten Ausführungsform eine be­ sonders vorteilhafte, ortsfeste Targetpositionierung.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt den Vorteil, daß die Nachweiswahrscheinlichkeit gegenüber herkömmlichen Geräten er­ heblich vergrößert wird. Es werden Nachwahrscheinlichkeiten im Bereich bis zu 10^-2 erzielt, was einer Verbesserung um einen Faktor 100 entspricht. Obwohl zwei Detektoren eingesetzt wer­ den, ist der Meßaufbau verhältnismäßig einfach und kompakt, so daß die erfindungsgemäße Vorrichtung problemlos in Zusammenhang mit einer Vielzahl von Meßanwendungen verwendet werden kann. Mechanische Verstellbewegungen des Targets werden minimiert oder ausgeschlossen, so daß eine hochgenaue und reproduzierbare Einkristallpositionierung ermöglicht wird. Dies erlaubt wieder­ um die reproduzierbare Einstellung bestimmter Targetparameter, die im einzelnen unten angegeben werden.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden aus der Beschreibung der beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Es zei­ gen:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer ersten Aus­ führungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 eine schematische Schnittansicht einer zweiten Aus­ führungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 3 eine schematische Schnittansicht einer dritten Aus­ führungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 4 eine Übersichtsdarstellung einer herkömmlichen Vor­ richtung zur Spin-Polarisationsmessung unter Verwen­ dung höherer Beugungsordnungen (Stand der Technik), und

Fig. 5 eine Übersichtsdarstellung einer herkömmlichen Vor­ richtung zur Spin-Polarisationsmessung unter Verwen­ dung spiegelnd reflektierter Elektronen (Stand der Technik).

Die folgende Beschreibung bezieht sich vorrangig auf die Ge­ staltung der Einfallswinkel-Stelleinrichtung bzw. die Anbrin­ gung der Detektoren bei einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung. Die übrigen Komponenten des Meßaufbaus (insbesondere Ultrahoch­ vakuumaufbau, Steuereinrichtungen, Signalauswertungen) werden im einzelnen nicht erläutert, da sie in an sich bekannter Weise analog zu den entsprechenden Komponenten in herkömmlichen Sy­ stemen realisiert sind.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung 10, bei dem die Einfallswinkel-Stelleinrichtung ein Lenksystem mit einer ersten Ablenkeinheit 11 und einer zweiten Ablenkeinheit 12 umfaßt. Die Ablenkeinheiten 11, 12 wirken wie folgt zusammen.

Durch die Ausrichtung des Primärstrahls 13 vor Eintritt in die erste Ablenkeinheit 11 wird eine Bezugsachse 14 definiert, die das Target 15 schneidet. Das Target 15 besitzt eine ebene Ober­ fläche, die senkrecht zur Bezugsachse 14 ausgerichtet ist. Mit der ersten Ablenkeinheit wird der Primärstrahl 13 aus der Be­ zugsachse 14 zur zweiten Ablenkeinheit 12 ausgelenkt. Die zwei­ te Ablenkeinheit 12 umfaßt zwei Kanäle mit jeweils einem Paar von Ablenkplatten 12a, 12b, die dazu eingerichtet sind, den mit der ersten Ablenkeinheit 11 ausgelenkten Primärstrahl entspre­ chend einem vorbestimmten Einfallswinkel α gegenüber der Be­ zugsachse 14 auf das Target zu richten. Die Ablenkplatten 12a, 12b sind spiegelsymmetrisch relativ zur Bezugsachse 14 angeord­ net.

Jedes Paar von Ablenkplatten 12a, 12b bilden einen Wechselwir­ kungsbereich für den abgelenkten Primärstrahl und simultan eine Durchtrittsöffnung für den spiegelnd reflektierten Elektronen­ strahl des vom jeweils anderen Ablenkplattenpaar abgelenkten Primärstrahls vom Target 15 zu einem der Detektoren 16, 17. Dies bedeutet, daß die Ablenkplattenpaare 12a, 12b wechselweise derart betrieben werden, daß während einer ersten Meßphase der Primärstrahl 13 mit der ersten Ablenkeinheit 11 zu den Ablenk­ platten 12a abgelenkt wird und diese unter Wirkung einer Ab­ lenkspannung den Primärstrahl auf das Target 15 richten. Wäh­ rend dieser ersten Phase ist das zweite Paar von Ablenkplatten 12b feldfrei, so daß der spiegelnd reflektierte Strahl ungehin­ dert zum Detektor 17 durchtreten kann. Während der zweiten Pha­ se wird der Primärstrahl 13 umgekehrt mit der ersten Ablenkein­ heit 11 zum zweiten Paar von Ablenkplatten 12b und von diesem zum Target 15 gelenkt. Während der zweiten Phase ist das erste Paar von Ablenkplatten 12a feldfrei, so daß ein gerader Durch­ tritt des spiegelnd reflektierten Strahls zum Detektor 16 er­ folgt.

Die ersten und zweiten Ablenkeinheiten 11, 12 sind an sich be­ kannte elektrische Ablenksysteme. Sie sind derart dimensio­ niert, daß der abgelenkte Primärstrahl unter einem vorbestimm­ ten Einfallswinkel α auf das Target 15 fällt. Bevorzugte Werte für den Einfallswinkel werden weiter unten angegeben. Der Auf­ bau erfolgt vorzugsweise wie dargestellt symmetrisch. Die erste Ablenkeinheit 11 lenkt den Primärstrahl 13 entsprechend dem Winkel α aus der Bezugsachse 14 aus. Diese Auslenkung wird durch die zweite Ablenkeinheit 12 umgekehrt, die entsprechend in der Mitte des Abstandes zwischen der ersten Ablenkeinheit 11 und dem Target 15 entlang der Bezugsachse 14 angeordnet ist.

Die Detektoren 16, 17 sind beispielsweise Sekundärelektronen­ vervielfacher (z. B. Channeltron) mit hoher Empfindlichkeit. Die Eintrittsfenster sind wesentlich größer als der Strahlquer­ schnitt und besitzen eine charakteristische Dimension im Be­ reich von rund 8 bis 12 mm. Die Detektoren geben bei jedem emp­ fangenen Elektron ein pulsförmiges Meßsignal ab. Der Elektro­ nenfluß kann somit durch eine Pulszählung ermittelt werden. Je­ der Detektor 16, 17 ist jeweils mit einem Energiefilter 16a, 17a versehen, um die Elektronenzählung auf Elektronen des spie­ gelnd reflektierten Strahls zu beschränken.

Bei der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Meßvor­ richtung 20 ist als Einfallswinkel-Stelleinrichtung eine Kippeinrichtung 22 vorgesehen. Der Primärstrahl 23 wird durch die Ablenkeinheit 21 entlang der Bezugsachse 24 auf das Target 25 gerichtet.

Die Kippeinrichtung 22 umfaßt einen Träger für das Target 15, mit dem das Target um eine Schwenkachse schwenkbar ist, die senkrecht auf der Bezugsachse 24 steht. Der Schwenkwinkel ent­ spricht dem vorbestimmten Winkel α. Die Vorrichtung 20 umfaßt ferner Detektoren 26, 27 (mit Energiefiltern 26a, 27a), die entsprechend den obigen Erläuterungen zur ersten Ausführungs­ form aufgebaut sind.

Die zweite Ausführungsform wird derart betrieben, daß während einer ersten Phase der Kristall 25 in einer ersten Schwenkposi­ tion (Oberfläche durchgezogen gezeichnet) positioniert ist, so daß der Primärstrahl 23 nicht senkrecht auf die ebene Oberflä­ che des Targets 25 fällt. Von der Targetoberfläche wird der spiegelnd reflektierte Strahl zum Detektor 27 reflektiert. Die Verbindungslinie zwischen dem Target 25 und dem Detektor 27 (bzw. 26) bildet mit der Bezugsachse 24 somit gerade den dop­ pelten Einfallswinkel 2 α. In der zweiten Phase wird das Target 25 mit der Kippeinrichtung 22 in die zweite Position ver­ schwenkt (Oberfläche gestrichelt gezeichnet), in der der spie­ gelnd reflektierte Strahl zum Detektor 26 reflektiert wird.

Die Kippeinrichtung 22 ist elektrisch betätigbar. Es ist bei­ spielsweise ein magnetischer Schwenkfedermechanismus oder eine Piezo-Kippeinrichtung einsetzbar. Die Kippeinrichtung 22 be­ sitzt gegenüber dem komplexen Drehantrieb gemäß Fig. 6 den Vor­ teil, daß beim Verkippen die aneinander reibenden Flächen bis auf linienförmige Kontaktbereiche reduziert werden können, so daß eine nachteilige Beeinflussung des Ultrahochvakuums in der Vorrichtung 20 vermieden wird.

Die in Fig. 3 gezeigte Darstellung einer dritten Ausführungs­ form der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung 30 besitzt die Beson­ derheit, daß zwei Teiltargets 35a, 35b vorgesehen sind, die axial symmetrisch relativ zur Bezugsachse 34 angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform wird die Einfallswinkel- Stelleinrichtung durch ein Strahlteilersystem 32 gebildet, mit dem der Primärstrahl 33 aus der Bezugsachse 34 hin zu den Teil­ targets 35a, 35b ausgelenkt wird. Von den Targets erfolgt eine Reflektion des spiegelnd reflektierten Strahls zu den Detekto­ ren 36, 37, die wiederum analog zu den Detektoren 16, 17 aufge­ baut sind (gegebenenfalls mit Energiefiltern 36a, 37a).

Die Einkristalle der Targets 35a, 35b besitzen ebene Oberflä­ chen, die entweder in einer Ebene senkrecht zur Bezugsachse 34 oder (wie dargestellt) gegenüber dieser Ebene geneigt angeord­ net sind. Bei der dargestellten Ausführungsform erfolgt bei­ spielsweise eine Neigung um 2° nach außen (weg von der Bezugs­ achse 34), so daß die Ablenkung mit dem Strahlteilersystem 32 um den vorbestimmten Einfallswinkel, vermindert um rund 2°, er­ folgt.

Der Aufbau gemäß Fig. 3 ist vollständig symmetrisch relativ zur Bezugsachse 34 aufgebaut. Weitere Komponenten sind ein zentral angeordneter Detektor 38, mit dem der Stromfluß des Primär­ strahls bei ausgeschaltetem Strahlteilersystem 32 gemessen wer­ den kann, und verschiedene Versorgungsleitungen für die Tar­ gethalterungen (Temperierung) und die Detektoren 36, 37.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 kann dahingehend modifiziert sein, daß anstelle des Strahlteilersystems 32 ein Ablenksystem analog zur ersten Ablenkeinheit 11 gemäß Fig. 1 vorgesehen ist.

Je nach Gestaltung könnte somit die Intensitätsmessung der spiegelnd reflektierten Strahlen simultan für beide Einfalls­ winkel oder abwechselnd jeweils für einen der Einfallswinkel durchgeführt werden.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die be­ schriebenen Ablenksysteme unter Einsatz von zwei getrennten De­ tektoren für jeden der zwei spiegelnd reflektierten Teilstrah­ len erlaubt, gezielt besonders vorteilhafte Targetparameter einzustellen, mit denen eine hohe Polarisationsempfindlichkeit und eine hohe Nachweiswahrscheinlichkeit erreicht wird.

Das Target 15, 25 oder 35 besteht aus einem Einkristallmate­ rial, vorzugsweise aus Wolfram oder Molybdän. Das Material ist derart angeordnet, daß vom - ggf. abgelenketen - Primärstrahl die (110)-Fläche in der (1, -1, 0)-Ebene unter dem vorbestimmten Einfallswinkel bestrahlt wird. Die (1, -1, 0)-Ebene entspricht somit der Papierebene bei den Darstellungen in Fig. 1 bis 3. Die Einfallswinkel sind betragsgleich, jedoch in Bezug auf die Oberflächenormale entgegengesetzt orientiert. Es wird ein Ein­ fallswinkelbetrag im Bereich von 7 bis 11°, vorzugsweise im Be­ reich von 8 bis 10° verwendet. Ein besonders bevorzugter Wert für den Einfallswinkelbetrag ist 9°. Die erfindungsgemäße Spin- Polarisationsmessung ist für niederenergetische Elektronen kleiner als 30 eV, vorzugsweise im Bereich von 10 bis 20 eV, vorgesehen. Ein besonders bevorzugter Wert für die Energie des Primärstrahls ist 16 ± 1 eV. Zur Erzielung eines der bevorzug­ ten Energiewerte durchläuft der Primärstrahl vor Eintreffen in einer der in den Figuren dargestellten Vorrichtungen eine an sich bekannte Beschleunigungs- oder Abbremseinrichtungen (nicht dargestellt).

Im folgenden wird das Meßprinzip der erfindungsgemäßen Vorrich­ tungen erläutert. Fällt der Primärstrahl 13, 23 oder 33 unter einem nicht-senkrechten Einfallswinkel auf das Target, so tritt im spiegelnd reflektierten Strahl eine Intensitätsänderung auf, wenn die Polarisation des Primärstrahls in Bezug auf die Tar­ getorientierung umgekehrt wird. Dies wird erfindungsgemäß da­ durch realisiert, daß zu einer Spin-Polarisationsmessungen zwei Teilmessungen sequentiell oder simultan mit dem Einfallswinkel +α bzw. -α erfolgt. Hierzu ist das Target derart angeordnet, daß eine Spiegelebene des Kristalls die Einfallsrichtung des zu analyiserenden Elektronenstrahls enthält und gleichzeitig die Oberflächenormale des Kristalls ist.

Der in Abhängigkeit von der Kristallstellung spiegelnd reflek­ tierte oder gebeugte Elektronenstrahl wird mit einem empfindli­ chen elektronischen Verstärker oder für Einzelnachweis mit ei­ nem Elektronenvervielfacher (Detektoren 16, 17, 26, 27, 36, 37) detektiert. Die Detektoren sind gegenüber der jeweiligen Be­ zugsachse derart versetzt angeordnet, daß der spiegelnd reflek­ tierte Strahl einen der beiden Detektoren trifft. Ist der Pri­ märstrahl unpolarisiert und sind die beiden Einfallswinkel be­ tragsgleich, jedoch umgekehrt, so tritt keine Intensitätsdiffe­ renz zwischen den Detektoren auf. Besitzt der Primärstrahl je­ doch einen Spin-Polarisationsvektor, der senkrecht zur Ein­ fallsebene orientiert ist, so treten in beiden Detektoren ver­ schiedene Intensitäten entsprechend den Einfallswinkeln +α bzw. -α. Die Intensitätsasymmetrie der Detektorsignale wird wie folgt ermittelt.

Jeder der Detektoren liefert ein Zählerraten- oder Intensitäts­ signal I₁ bzw. I₂. Der Polarisationsgrad P der Primärstrahlung wird gemäß P = f . (I₁ - I₂)/(I₁ + I₂) berechnet. Die Proportio­ nalitätskonstante zwischen dem Polarisationsgrad P und dem Ver­ hältnis der Intensitätsdifferenz zur Identitätssumme wird durch eine geeignete Kalibrierung mit einem einfallenden Strahl be­ kannten Polarisationsgrades und bekannter Richtung ermittelt.

Beim bestimmungsgemäßen Betrieb der Vorrichtung 10, 20 oder 30 wird der Target-Einkristall zunächst unter einem Winkel +α be­ strahlt und der spiegelnd reflektierte Strahl in einem der bei­ den Detektoren erfaßt. Für eine vorbestimmte Zeit T werden die spiegelnd reflektierten Elektroden gezählt (oder es wird ent­ sprechend ein Elektronenfluß pro Zeiteinheit gemessen). Nach Ablauf der Zeit T wird das Target entsprechend mit dem Ein­ fallswinkel -α wiederum wird für die gleiche Zeit T der gebeug­ te Elektronenfluß gezählt bzw. der Strom bestimmt. Die Meßsi­ gnale ergeben die oben genannten Intensitäten I₁, I₂. Falls der Polarisationsvektor des einfallenden Strahls nicht senkrecht zur Einfallsebene steht, so kann der Kristall gegebenenfalls mit den Nachweisdetektoren um die Bezugsachse gedreht werden. Auf diese Weise kann die Größe und die Richtung des Polarisati­ onsvektors bzw. dessen Komponente senkrecht zur Achse des ein­ fallende Primärstrahls bestimmt werden.

Der gesamte Meßaufbau wird unter Ultrahochvakuumbedingungen be­ trieben, um eine extrem saubere Targetoberfläche zu gewährlei­ sten. Die Targeteinkristalle werden im Ultrahochvakuum ausge­ heizt, um Fremdatome zu desorbieren. Dieses Ausheizen kann ge­ gebenenfalls in bestimmten Zeitabständen während der Messung wiederholt werden, um aus dem Restgas im Ultrahochvakuum absor­ bierte Fremdatome zu entfernen.

Die Erfindung wird mit Vorteil in allen Bereichen der Elektro­ nenstrahlanalyse eingesetzt, z. B. bei der Elektronenmikroskopie zur Untersuchung von Sekundärelektronen, die von magnetischen Materialien ausgehen. Mit der erfindungsgemäßen Spin-Polarisa­ tionsmessungen läßt sich mit hoher Ortsauflösung die Magenti­ sierung auf der Oberfläche des untersuchten Materials abbilden. Dies ist für die Entwicklung von Strukturen zur Datenspeiche­ rung oder für Magnetsensoren von Interesse. Der Primärstrahl kann auch anderweitig an Probenmaterialien gebeugte Elektronen umfassen, die zunächst eine höhere Energie besitzen, jedoch vor Eintritt in die erfindungsgemäß Meßvorrichtung abgebremst wer­ den. Die Erfindung kann auch zur Messung von Synchrotronstrah­ lung eingesetzt werden.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Spin-Polarisationsmessung mit einer elektro­ nenoptischen Ablenkeinheit (11, 21, 31), mindestens einem Einkristalltarget (15, 25, 35) und einem ersten Detektor (16, 26, 36), wobei die Ablenkeinheit (11, 21, 31) zur nicht-senkrechten Bestrahlung des Einkristalltargets (15, 25, 35) und der Detektor (16, 26, 36) zur Erfassung eines am Einkristalltarget (15, 25, 35) spiegelnd reflektierten Elek­ tronenstrahl eingerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einfallswinkel-Stelleinrichtung (12, 22, 32) vorgese­ hen ist, die zur Bestrahlung des Einkristalltargets (15, 25, 35) unter zwei vorbestimmten Einfallswinkeln (α, -α) gleichen Betrages und entgegengesetzter Orientierung einge­ richtet ist, wobei der erste Detektor (16, 26, 36) zur Er­ fassung des spiegelnd reflektierten Elektronenstrahls ent­ sprechend dem ersten Einfallswinkel (α) und ein zweiter De­ tektor (17, 27, 37) zur Erfassung des spiegelnd reflektier­ ten Elektronenstrahls entsprechend dem zweiten Einfallswin­ kel (-α) eingerichtet ist.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Einfallswinkel- Stelleinrichtung (12) zwei Ablenkplattenpaare (12a, 12b) umfaßt, die zwischen der Ablenkeinheit (11) und dem Einkri­ stalltarget (15) angeordnet und zur Bestrahlung des Einkri­ stalltargets (15) unter den Einfallswinkeln (α, -α) einge­ richtet sind.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Einfallswinkel- Stelleinrichtung eine Kippeinrichtung (22) umfaßt, mit der das Einkristalltarget (25) zwischen zwei Positionen ver­ schwenkbar ist, wobei das Einkristalltarget (25) in den Po­ sitionen jeweils mit den Einfallswinkeln (α) bzw. (-α) ge­ genüber dem einfallenden Elektronenstrahl (23) verschwenkt ist.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Einfallswinkel- Stelleinrichtung eine Strahlteilereinrichtung (32) umfaßt, mit der der einfallende Elektronenstrahl (33) in Form von zwei Teilstrahlen auf zwei Teiltargets (35a, 35b) gerichtet wird.

5. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Einfallswinkel im Bereich von 7 bis 11° gewählt ist.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, bei der der Einfallswinkel im Bereich von 8 bis 10° gewählt ist.

7. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Elektronen des Elektronenstrahls (13, 23, 33) eine Energie im Bereich von 10 bis 20 eV besitzen.

8. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die (110)-Fläche mit der (1, -1, 0)-Ebene des Einkri­ stalltargets (15, 25, 35) zur Bestrahlung angeordnet ist.

9. Verfahren zur Spin-Polarisationsmessung, bei dem zur Mes­ sung des Spin-Polarisationsgrades eines Elektronenstrahls (13, 23, 33) der Elektronenstrahl simultan oder aufeinan­ derfolgend unter zwei vorbestimmten Einfallswinkeln (α, -α) auf eine ebene Oberfläche eines Einkristalltargets (15, 25, 35) gerichtet und die Intensität der spiegelnd reflektier­ ten Elektronen gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Einkristalltarget (15, 25, 35) auf der (110)-Fläche in der (1, -1, 0)-Ebene mit einem Einfallwinkel bestrahlt wird, dessen Betrag im Bereich von 7 bis 11° liegt.

10. Verfahren gemäß Anspruch 8, bei dem die Elektronenenergie im Bereich von 10 bis 20 eV liegt.