DE2646394A1

DE2646394A1 - Vorrichtung zur messung des spinpolarisationsgrades eines elektronenstrahls

Info

Publication number: DE2646394A1
Application number: DE19762646394
Authority: DE
Inventors: Juergen Dr Kirschner
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1976-10-14
Filing date: 1976-10-14
Publication date: 1978-04-27
Also published as: DE2646394C2; US4153844A

Description

Kernforschungsanlage Jülich Gesellschaft mit beschränkter Haftung

Vorrichtung zur Messung des Spinpolarisationsgrades eines Elektronenstrahls

Die Erfindung bezieht sich auf die Vorrichtung zur Bestimmung des Spinpolarisationsgrades eines Elektronenstrahls, bei der ein aus elektrisch leitendem oder halbleitendem Material bestehender Einkristall mit senkrecht zur Strahlrichtung der zu messenden Elektronen angeordneter und parallel zu der für die Streuung der Elektronen vorgesehenen Ebene der Kristallstruktur ausgebildeter Oberfläche vorgesehen ist, wobei dem Einkristall eine Einrichtung zur Messung der Intensität der am Einkristall unter komplementären Winkeln zur Strahlrichtung rückgestreuten Elektronen nachgeschaltet ist.

Neben Energie und Impuls besitzt ein Elektron als weitere Charakterisierungsgröße den Spin. Seine Lage bezüglich einer ausgezeichneten Richtung stellt eine wichtige Information dar, mittels der auf die Wechselwirkung des Elektrons mit anderen Teilchen, beispielsweise mit Atomen

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in einer Feststoffoberfläche, geschlossen werden kann. Zur Durchführung einer derartigen Untersuchung ist eine Vorrichtung zur Messung des Spin-Polarisationsgrades von Elektronenstrahlen erforderlich.

Es sind bereits derartige Vorrichtungen bekannt, deren Wirkungsweise auf der Abhängigkeit der Streuung von Elektronen an freien Atomen, der sogenannten Mott-Streuung, vom Elektronen-Spin beruhen. Dabei wird aus dem Vergleich von Intensitätsmessungen unter Streuwinkeln, die dem 'Cot nach gleich, aber im Vorzeichen entgegengesetzt sind, auf den Polarisationsgrad des einfallenden Elektronenstrahls geschlossen. Von Nachteil ist hierbei jedoch, daß merkbare, durch die Ausrichtung des Elektronen-Spins bewirkte Intensitätsunterschiede nur bei geringer Gesamtintensität auftreten. Die Empfindlichkeit der bekannten Vorrichtungen ist daher sehr begrenzt. Hinzu kommt, daß starke Polarisationseffekte nur auf kleine Streuwinkelbereiche beschränkt sind. Das hat zur Folge, daß nur ein sehr kleiner

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Teil (elO ) der insgei

verwendet werden kann.

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Teil (elO ) der insgesamt gestreuten Elektronen zur Messung

Die bekannten Vorrichtungen beruhen auf der Anwendung zweier unterschiedlicher Methoden. Bei der ersten Methode wird ein Atomstrahl, vorzugsweise aus Hg, verwendet, an dem die Elektronen mit einigen keV Energie gestreut werden. Da es jedoch schwierig ist, Atomstrahlen in hoher Dichte zu erzeugen, treten bei dieser Verfahrensweise

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Schwierigkeiten bezüglich der Intensität der Strahlung auf. Bei der zweiten Methode werden dünne Folien zur Streuung der Elektronen verwendet. Dabei stehen jedoch dem Vorteil der hohen Atomdichte der unvermeidbare Nachteil der Mehrfachstreuung der Elektronen und deren Absorption in der Folie gegenüber. Um diesen Schwierigkeiten zu begegnen, hat man daher die Messung mit auf hohe Energie beschleunigten Elektronen (100 bis 150 keV) durchgeführt. Dabei ist jedoch von Nachteil, daß der Wirkungsquerschnitt für die Streuung sehr klein wird und daher nur eine geringe Streuintensität und Empfindlichkeit der Messung erreicht wird. Die Verwendung hoher elektrischer Spannungen macht zudem die bekannten Vorrichtungen wegen der erforderlichen Sicherheitsmaßnahmen sehr groß und unhandlich.

Es ist daher auch schon vorgeschlagen worden, den Spinpolarisationsgrad eines Elektronenstrahls an Hand der von Spin abhängigen Intensität eines an dem Oberflächengitter eines Einkristalls spiegelnd reflektierten Elektronenstrahls zu messen. Der von der Ausrich-tung des Elektronenstrahls abhängige differentielle Wirkungsquerschnitt für die Beugung langsamer Elektronen ist dabei mehrere Größenordnungen höher als bei der Mott¹ sehen Streuung. Entsprechend ist auch die Empfindlichlichkeit höher. Da bei der Messung des Polarisationsgrades stets die Streuung unter zwei komplementären, möglichst gleichen Winkeln in der Einfallsebene des Strahls durchgeführt werden muß, ist vorgeschlagen worden, zur Messung der

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beiden Streustrahlen den Kristall abwechselnd um gleiche Winkel nach der einen sowie nach der anderen Seite zu kippen und danach die Streuintensität zu messen (siehe hierzu R. Feder, Surf. Sei. 51, 297, 1975). Sehr aufwendig und daher nachteilig ist dabei jedoch, daß die mechanische Bewegung des Kristalls mit hoher Präzision und Reproduzierbarkeit sehr häufig und mit ausreichender Schnelligkeit und dabei zudem im Ultrahochvakuum (10 - 11 mbar) durchgeführt werden muß. Darüberhinaus ist der bei der Durchführung der Messung erforderliche Zeitaufwand mehr als doppelt so hoch als bei einer Einzelmessung.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs bezeichneten Art zur Messung des Spinpolarisationsgrades eines Elektronenstrahls mit höherer Empfindlichkeit als sie die bisher bekannten Vorrichtungen aufweisen zu schaffen, die es erlaubt, Messungen an einem Elektronenstrahl unabhängig von der Primärenergie der Elektronen schnell und mit hoher Genauigkeit durchzuführen und die zudem eine kompakte Bauweise zuläßt.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß

a) zur Aufnahme des einfallenden Elektronenstrahls eine aus elektrischen oder magnetischen Rohr- oder Lochblendenlinsen bestehende, die Elektronen beschleunigende oder verzögernde Einrichtung vorgesehen ist, in der die Elektronen so beschleunigt oder verzögert

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werden, daß in einer

b) Einrichtung zur Monochromatisierung des Strahls der beschleunigten oder verzögerten Elektronen, die der Einrichtung zur Verzögerung oder Beschleunigung der Elektronen nachgeschaltet ist, die für die Messung zulässiger Energiestreuung erzielt wird und daß

c) zum Einstellen der für die Streuung der Elektronen am Einkristall vorgesehenen Energie der nahezu monoenergetischen Elektronen des monochromatisierten Elektronenstrahls eine aus elektrischen oder magnetischen Rohr- und /oder Lochblendenlinsen bestehende, der Beschleunigung oder Verzögerung der Elektronen sowie deren Fokussierung auf die Oberfläche des Einkristalls dienende Einrichtung nachgeschaltet ist, der

d) der Einkristall mit senkrecht zur Richtung des so gebildeten Elektronenstrahls ausgerichteter Oberfläche nachgeschaltet ist,

e) wobei die dem Einkristall nachgeschaltete Einrichtung zur Messung der Intensität der am Einkristall rückgestreuten Elektronen aus mindestens zwei zur Messung der Intensität von unter komplementären Winkeln von der Oberfläche des Einkristalls rückgestreuter Elektronenstrahlen vorgesehenen Detektoren besteht

f) und wobei zwischen der zur Streuung der Elektronen vorgesehenen Oberfläche des Einkristalls und der Einrichtung zur Messung der Intensität der rückgestreuten

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Elektronen eine Einrichtung zum Abtrennen des durch unelastische Wechselwirkung mit dem Einkristall entstandenen rückgestreuten, niederenergetischen Teils der Elektronen mittels eines elektrischen Gegenfeldes oder mittels vor dem jeweiligen Detektor erzeugter elektrischer oder magnetischer Felder zur Ablenkung der niederenergetischen Elektronen vorgesehen ist.

Die den einfallenden Elektronenstrahl aufnehmende, unter a) angegebene Einrichtung zur Beschleunigung und Verzögerung der Elektronen ist so ausgelegt, daß der Elektronenstrahl nach Verlassen der unter b) und c) angegebenen Einrichtungen beim Auftreffen auf den Einkristall gerade die Energiestreuung E aufweist, die für den Streuvorgang am Einkristall zugelassen wird. Diese zulässige Energiestreuung E liegt im Bereich zwischen 0,1 und 5 eV.

Durch die unter a) angegebene Einrichtung zur Beschleunigung oder Verzögerung der Elektronen wird in Verbindung mit den unter b) und c) angegebenen Einrichtungen ermöglicht, die für die Streuung der Elektronen am Einkristall vorgesehene Sollenergie so einzustellen, daß außer dem spiegelnd reflektierten Streustrahl entsprechend der Bragg¹ sehen Streubedingung auch Streustrahlen höherer Ordnung entstehen, deren Winkel zur Normalen genügend groß ist, um ein Erfassen des Streustrahls durch die Detektoren zu ermöglichen und bei denen starke Polarisationseffekte bei möglichst hoher Intensität auftreten. Die Sollenergie liegt dabei, je nach der Wahl des Einkristalls, zweckmäßigerweise im Bereich zwischen 10 und 300 eV, Vorzugs-

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weise jedoch bei etwa 100 eV.

Bei der unter b) angegebenen, als Energiefilter wirkenden Einrichtung zur Monochromatisierung werden die Elektronen, die mehr als um die vorgesehene Energie von der mittleren Energie abweichen, ausgeschieden. Dabei ist der Einfluß des ablenkenden Feldes auf die Orientierung des Polarisationsvektors des Elektronenstrahls vernachlässigbar.

Bei der Streuung der Elektronen am Einkristall wird der Einfluß der transversalen Komponente des Elektronen-Spins auf die Streuung der Elektronen gemessen. Für den Fall, daß die Elektronen im Primärstrahl bereits transversal zur Strahlrichtung ausgerichtet sind, bedarf es daher auch keiner weiteren Maßnahmen. Für den Fall jedoch, daß die Elektronen im Primärstrahl longitudinal ausgerichtet sind, wird die unter b) angegebene Einrichtung zur Monochromatisierung zweckmäßigerweise so ausgelegt, daß der Elektronenstrahl um einen Winkel von 90 ° abgelenkt wird. Der vorher im Primärstrahl longitudinal ausgerichtete Spin der Elektronen ist dann im resultierenden Strahl transversal ausgerichtet.

In der unter c) angegebenen Einrichtung zur Beschleunigung oder Verzögerung der Elektronen werden diese auf die für die Streuung vorgesehene Soll-Energie gebracht. Mit dieser Energie treffen die Elektronen auf den Einkristall auf, der möglichst aus einem schwere Atome aufweisenden Material, wie Wolfram, Gold oder Platin, besteht.

Eine vorteilhafte weitere Ausgestaltung der Vorrichtung gemäß der Erfindung besteht dabei darin, daß die Einrichtung

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zur Messung der Intensität der am Einkristall rückgestreuten Elektronen aus vier, auf die für die für die Messung vorgesehenen, rückgestreuten Elektronenstrahlen einstellbaren Detektoren besteht, die jeweils paarweise in zwei möglichst zueinander senkrecht stehenden, sich in der Strahlrichtung des auf den Einkristall auftreffenden Elektronenstrahls schneidenden Ebenen angeordnet sind. Dadurch wird erreicht, daß der dem einfallenden Strahl zugeordnete transversale Polarisationsvektor auch dann vollständig bestimmt wird, wenn er nicht exakt senkrecht zu der Ebene steht, die durch die Normale zur Kristalloberfläche und die diese schneidende Verbindungslinie zwischen zwei ein Paar bildenden Detektoren, die beispielsweise aus sogenannten Channeltrons bestehen können, bestimmt ist. Als Einkristall für in dieser Weise durchgeführte Messungen ist beispielsweise ein Wolfram-Einkristall verwendbar, der zueinander senkrecht stehende Streuebenen aufweist.

Eine weitere vorteilhafte Weiterausgestaltung der Vorrichtung gemäß der Erfindung besteht darin, daß die Einrichtung zur Messung der Intensität der am Einkristall rückgestreuten Elektronen aus in dem dem auf den Einkristall auftreffenden Elektronenstrahl zugekehrten Kugelhalbraum oberhalb des Einkristalls angeordneten Kollektorplatten besteht. Die Größe der Platten ist dabei so bemessen, daß ein Beugungsstrahl oder ein Teil desselben pro Kollektor erfaßt wird. Bei dieser vorteilhaften Anordnung der Detektoren entfällt das Einstellen von Detektoren auf die für die Messung vorgesehenen, rückgestreuten Elektronenstrahlen, da die in den gesamten Kugelhalbraum rückgestreuten Elek-

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tronen von den Kollektorplatten erfaßt werden und für die Messung lediglich die den vorgesehenen Elektronenstrahlen entsprechenden Kollektorplatten eingeschaltet zu werden brauchen. Auch entfällt das Einjustieren der Detektoren bei Wahl eines anderen Einkristalls. Ferner ist von Vorteil, daß bei der Durchführung der Messung die Symmetrie der Vorrichtung überprüft werden kann, indem Strahlen in die Messung einbezogen werden, die keinen Polarisationseffekt zeigen.

Eine weitere Weiterausgestaltung der Vorrichtung gemäß der Erfindung besteht darin, daß den Kollektorplatten Kanalvervielfacherplatten vorgeschaltet sind. Die Messung ist dann auch bei Primärstrahlung mit relativ geringer Intensität mit hoher Genauigkeit durchführbar.

Die unter f) angegebene Einrichtung zum Abfangen eines Teils der bei der Streuung am Einkristall erzeugten Elektronen kann darin bestehen, daß über dem Kristall eine oder mehrere ebene oder auch gekrümmte Gitter nebeneinander oder hintereinander angeordnet sind, wobei zwischen dem Kristall und dem/oder den Gittern oder auch nur zwischen den Gittern eine elektrische Spannung angelegt ist, die bewirkt, daß nur Elektronen mit höherer als einer gewählten Grenzenergie durch das Gitter hindurch gelangen. Für den Fall, daß einzelne Detektoren verwendet werden, besteht die Einrichtung zum Abfangen der Elektronen zweckmäßigerweise aus Vorrichtungen zur Erzeugung eines elektrischen oder magnetischen Feldes, die vor dem einzelnen Detektor angeordnet sind. Durch geeignete Wahl der Stärke der Felder sowie durch deren Anordnung, wird erreicht, daß nur Elektronen einer Energie oberhalb einer vorbestimmten Grenzenergie in den Detektor gelangen. - 10 -

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Ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert:

Wie aus der Zeichnung hervorgeht, weist die Vorrichtung zur Aufnahme des einfallenden, parallel ausgerichteten Strahls von Elektronen, deren Spin longitudinal ausgerichtet ist, eine aus vier Elementen bestehende Zylinderlinse 1 auf, in denen die Elektronen von einer Energie Eg auf eine Energie E¹ beschleunigt oder verzögert werden. Der Innendurchmesser der Zylinderlinse 1 beträgt 30 mm. Die Linse ist für einen Strahldurchmesser von etwa 5 mm vorgesehen.

Das durch die Zylinderlinse erzeugte elektrische Feld ist so bemessen, daß der Wert der Energie E¹ der Beziehung

E¹ = R χ Δ Ε

entspricht, wobei R das relative Auflösungsvermögen des Energiefilters und A E die für die Streuung der Elektronen vorgesehene Energiebreite der Elektronen sind.

Der Zylinderlinse ist ein als Energiefilter wirkender Kugelkondensator 2 mit einem mittleren Radius von 10 cm und einem Auflösungsvermögen von 5 % und mit einer Eintrittsund einer Austrittsblende für den Elektronenstrahl nachgeschaltet, in dessen elektrischem Feld der Elektronenstrahl monochromatisiert und zugleich um 90 umgelenkt wird, so daß in dem den Kugelkondensator 2 verlassenden Elektronenstrahl der Spin der Elektronen transversal ausgerichtet ist. Der den Kugelkondensator verlassende Strahl durchläuft anschließend eine weitere, aus vier Elementen be-

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stehende Zylinderlinse 3 mit einem Innendurchmesser von 15 mm, in dem die Elektronen auf die für die Streuung am Kristall vorgesehene Energie beschleunigt werden. Dabei wird der Strahl zugleich auf einen Wolfram-Einkristall 4 mit einer Fläche (100) fokussiert.

Unter den durch Streuung am Einkristall 4 erzeugten Teilstrahlen werden unter konjugierten Winkeln reflektierte Teilstrahlen von Sekundärvervielfachern 5 eines Durchmessers von 1,5 cm und einer Länge von 5 cm aufgenommen und der so gemessene Strom einer in der Zeichnung nicht dargestellten Messeinrichtung zugeführt. Die beiden reflektierten Strahlen gelangen dabei durch eine als Hochpaßfilter wirkende, aus zwei parallelen Gittern 6 bestehende Einrichtung, zwischen denen ein elektrisches Feld zur Verzögerung der Elektronen angelegt ist. Die Gitter sind durch photochemische Behandlung aus Folien hergestellt worden und weisen eine Transparenz von 80 % auf. Durch diese Einrichtung werden die durch unelastische Wechselwirkung mit den Streuzentren auf der Oberfläche des Einkristalls erzeugten Elektronen aus dem gestreuten Strahl ausgesondert. Zur elektrostatischen Abschirmung des Streubereiches ist ein feinmaschiges Wolframdraht-Gitter mit einer Transparenz von 85 % vorgesehen.

Die in der Zeichnung dargestellten Teile 1 bis 7 der Vorrichtung gemäß der Erfindung sind in einem zylinderför-

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migen Vakuumgefäß eines Durchmessers von 25 cm und einer Länge von 40 cm untergebracht. Der Druck im Vakuumgefäß liegt im Bereich von 10 - 11 mbar, um die Kristalloberfläche über lange Zeit hinweg in sauberem Zustand zu erhalten.

Der Polarisationsgrad P der einfallenden Strahlung wird nach der Beziehung

¹I - ^τ2
P = f χ _ _

¹I ⁺ ¹I

berechnet, wobei I- und I~ die mittels der Detektoren 5 ermittelten Meßgrößen, die Zählraten oder auch Stromwerte sein können, und f ein Eichfaktor sind.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Bestimmung des Spinpolarisationsgrades eines Elektronenstrahls, bei der ein aus elektrisch leitendem oder halbleitendem Material bestehender Einkristall mit senkrecht zur Strahlrichtung der zu messenden Elektronen angeordneter und parallel zu der für die Streuung der Elektronen vorgesehenen Ebene der Kristallstruktur ausgebildeter Oberfläche vorgesehen ist, wobei dem Einkristall eine Einrichtung zur Messung der Intensität der am Einkristall unter komplementären Winkeln zur Strahlrichtung rückgestreuten Elektronen nachgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß

a) zur Aufnahme des einfallenden Elelktronenstrahls eine aus elektrischen oder magnetischen Rohr- oder Lochblendenlinsen bestehende, die Elektronen beschleunigende oder verzögernde Einrichtung vorgesehen ist, in der die Elektronen so beschleunigt oder verzögert werden, daß in einer

b) Einrichtung zur Monochromatisierung des Strahls der beschleunigten oder verzögerten Elektronen, die der Einrichtung zur Verzögerung oder Beschleunigung der Elektronen nachgeschaltet ist, die für Messung zulässige Energietrennung erzielt wird, und daß

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c) zum Einstellen der für die Streuung der Elektronen am Einkristall vorgesehenen Energie der nahezu monoenergetischen Elektronen des monochromatisierten Elektronenstrahls eine aus elektrischen oder magnetischen Rohr- und/oder Lochblendenlinsen bestehende, der Beschleunigung oder Verzögerung der Elektronen sowie deren Fokussierung auf die Oberfläche des Einkristalls dienende Einrichtung nachgeschaltet ist,der

f) und wobei zwischen der zur Streuung der Elektronen vorgesehenen Oberfläche des Einkristalls und der Einrichtung zur Messung der Intensität der rückgestreuten Elektronen eine Einrichtung zum Abtrennen des durch unelastische Wechselwirkung mit dem Einkristall entstandenen, rückgestreuten, niederenergetischen Teils der Elektronen mittels eines elektrischen Gegenfeldes oder mittels vor dem jeweiligen Detektor erzeugter elektrischer oder magnetischer Felder zur Ablenkung der niederenergetischen Elektronen vorgesehen ist.

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Messung der Intensität der am Einkristall rückgestreuten Elektronen aus vier auf die für die Messung vorgesehenen, rückgestreuten Elektronenstrahlen einstellbaren Detektoren besteht, die jeweils paarweise in zwei möglichst zueinander senkrecht stehenden, sich in der Strahlrichtung des auf den Einkristall auftreffenden Elektronenstrahls schneidenden Ebenen angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zur Messung der Intensität der am Einkristall rückgestreuten Elektronen aus in dem dem auf den Einkristall auftreffenden Elektronenstrahl zugekehrten Kugelhalbraum oberhalb des Einkristalls angeordneten Kollektorplatten besteht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß den Kollektorplatten Kanalvervielfacherplatten vorgeschaltet sind.

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