DE2856244A1 - Elektronenstosspektrometer - Google Patents

Description

Kernforschungsanlage Julien
Gesellschaft mit beschränkter Haftung

NACHGERElCi-IT

Elektronenstoßspektrometer

Die Erfindung bezieht sich auf Elektronenstoßspektrometer für Stoßenergien zwischen 1 und 1.000 eV mit elektrostatischen Zylinderkondensatorablenkeinheiten als energiedispersive Einheiten zusammen mit einem speziellen Emissionssystem sowie speziellen Fokus s ierungselementen.

Elektronenstoßspektrometer werden zur Analyse von Gasen und Festkörpern verwendet, wobei die relevante Information in Form charakteristischer Energieverluste erhalten wird. In neuerer Zeit ist die Anwendung zur Aufnahme von Schwingungspektren von Adsorbaten und damit der Einsatz in der Katalyseforschung von besonderem Interesse. Dazu muß die Energieauflösung der verwendeten Spektrometer im Bereich von ΔΕ= 5-10 meV liegen. Insbesondere bei dieser Anwendung wird ein möglichst hoher Strom bei gegebener Auflösung ΔΕ angestrebt.

Es ist bekannt, daß der Strom durch Raumladungseffekte begrenzt wird (H. Ibach, Applications of Surf. Sei. K (1977) 1). Dadurch ergibt sich eine Abhängigkeit des transmittierten Stromes am Detektor I_n pro-

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portional zu ΔΕ ' . Verschiedene Ausführungsformen elektrostatischer Elektronenstoßspektrometer unterscheiden sich in dem erzielten Vorfaktor g der

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Gleiohung

I_D = g ΔΕ⁵/² (1)

der zugleich ein Maß für die Güte des Spektroneters darstellt. Bei Einstellung der höchstmöglichen Auflösung wird ein zusätzlicher Abfall des transmittierten Stromes durch verstärkte Bildfehler bei niedrigen Elektronenenergien bedingt. Die erzielbare Auflösung E_fflin (üblicherweise gemessen als volle Breite bei halbem Strom), bei der der Strom noch Gleichung (l) folgt, ist deshalb ebenfalls ein Maß für die Spektrometerqualität.

Als energiedispersive Elemente für Elektronenstoßspektrometer sind Zylinderkondensatoren neben Kugelkondensatoren und ZylinderspiegeIn bekannt. Erstere haben den Nachteil, daß die Fokussierung lediglich eindimensional in der Ebene senkrecht zur Achse erfolgt, wodurch bei üblicher Anwendung Strom und Auflösung verloren gehen.

Zylinderkondensatoren sind sowohl mit zirkularsymmetrischen (D.Roy und J. Carette in "Electron Spectroscopy for Surface Analysis", ed. by H.Ibach, Springer 1977) als auch mit zylindersymmetrischen Emissionssystemen (M.Propst und Th. C.Piper, J.Vac.Sci.Technol.4 (1967) 53 und H.Ibach, J.Vac. Sci.Technol 9, (1972) 713) und Linsen betrieben worden. Bei ersteren zeigen die Pokallängen ebenfalls Zirkularsymmetrie, während bei letzteren keine Fokussierung in einer Richtung erfolgt. Beide Systeme sind in ihren elektronenoptischen Eigenschaften an die Verwendung von Zylinderkondensatoren nicht optimal angepaßt, und die erzielbare Total-

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transmission ist nicht optimal.

Ferner sind Elektronenbahnen zugelassen, die den Zylinderkondensator nioht in Ebenen senkrecht zur Zylinderachse durchqueren. Dadurch entsteht ein zusätzlioher Bildfehler, der die Auflösung reduziert. Diese ist dann gegeben durch

ΔΈ sh² .2.2 _f0\

—E ⁼ r ⁺ ""2~2⁺ 7 ⁰^ (²^

wobei s die Schlitzbreite, r der Radius des Zylinderkondensators, h die Sohlitzhöhe, E die Energie der Elektronen im Zylinderkondensator und <* die Winkeldivergenz senkreoht zur Zylinderachse sind.

Da sich bei sehr niedrigen Energien Inhomogenitäten der Oberfläohenpotentiale bemerkbar machen, kann die Energie E nicht beliebig niedrig gewählt werden. Man wird daher zur Erzielung hoher Auflösung bestrebt sein, die Terme auf der rechten Seite von Gleichung (2) so klein wie möglich zu wählen. Der Strom I durch den Zylinderkondensator ist proportional

Ιλ,Ε ³^² · AE*s.h.ct (3)

Mit Gleichung (2) erhält man

I „«5/2 , _3/2

. hf . 2 Λ~\

⁺ Z? ⁺ ϊ * J

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"Die optimale Sohlltzhötie ©pt und Winkeldivergenz ofcpt bei vorgegebener Auflösung Ist dann die, die zinn Maximum von I führt:

<5)

Damit wird die Auflösung

ΔΈ , s
"HB ~ ³ r (6)

und der Strom I^ E ⁵^² -^= s ¹^² r

2V3

In der Praxis bleibt man zur Erzielung hoher Auflösung sogar unter diesen optimalen Werten, da der erzielbare Strom aufgrund der funktionalen Abhängigkeit (4) für kleinere h und α zunächst nur wenig abfällt, während die maximal erzielbare Auflösung bei optimalen Strombedingungen um den Paktor drei reduziert wird. Mr höchste Auflösung wählt man un|er Verzicht auf optimalen Strom h und ot so, daß °^ ^

ist. Wählt man zum Beispiel h

T7 und 2 ,3,2 je gleich 1 s , 1Tr

5 TC

so ist der Strom auf circa 40 $ des Maximalwertes reduziert. Durch die hier dargestellten Prinzipien ist also bei der Kombination von Zylinderkondensatoren mit üblichen Linsenelementen und Emissionssystemen die maximale Schlitzhöhe und der nutzbare Winkel grundsätzlich eingeschränkt.

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Der beschriebene Saonteil "bezüglich, der Schlitzhöhe wird gemäß der Erfindung durch die Verwendung eines neuartigen Emissionssystems sowie Linsensystems vermieden, und zwar ist das erfindungsgemäße Elektronenstoßapektrometer der eingangs genannten Art gekennzeichnet durch, ein Emissionssystem, bei dem der Fokus senkrecht zur Zyliaaderach.se in bekannter Weise in der Eingangsblende liegt, während der Fokus parallel zur Zylinderachse i« Detektor liegt, wobei höchstens ein Fokussierungspunkt parallel zur Zylinderachse verwendet wird sowie duron Schlitzblenden in den energiedispersiven Einheiten, deren Länge größer ist als die Wurzel aus Bahnradius und Schiitzbreite.

Das Emissionssystem ist mithin weder zirkularsymmetrisch noch zylindersymmetrisoh., sondern ergibt duroh entspreohende Elektrodengestaltung eine in üblicher Weise der Distanz Eingangsspalt-Kathode angepaßte Fokallänge senkrecht zur Achse der Zylinderkondensatoren, während die Fokallänge parallel zur Achse groß gegen die Apparaturdimensionen ist, also parallel zur Achse annähernd ein Parallelstrahl erzeugt wird.

Ferner sind die dem als Monochromator verwendeten ersten Zylinderkondensator nachfolgenden Linsenelemente so gestaltet, daß ein oder mehrere Foken senkrecht zur Zylinderachse entstehen, während der Strahl parallel dazu weiter als Parallelstrahl bis zum zweiten als Analysator verwendeten Zylinderkondensator geführt wird.

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Durch diese Strahlführung tritt an die Stelle des

zweiten Terms h in Gleichung (2) 4er wesentlich

kleinere Ausdruck h . wobei L die Elektronen

weglänge zwisohen dem Eintrittespalt des ersten Zylinderkondensators und dem Austrittsspalt des zweiten ist. Hierdurch ergibt sioh bei gegebener Geometrie der energiedispersiven Elemente eine wesentliche Steigerung der Auflösung (Faktor * gegenüber den Bedingungen für optimalen Strom) beziehungsweise ein höherer Strom bei entsprechender Vergrößerung der Schlitzhöhe.

Wie aus Glelohung (2) ersichtlich ist, kann die Energiebreite ΔΕ bei gegebenen geometrlsohen Abmessungen nur durch Erniedrigung der Energie in den dispersiven Elementen verbessert,das heißt verringert, werden. Die untere Grenze der erzielbaren Werte für Δ E ist durch die sich verschlechternden Abbildungseigensohaften der Zylinderkondensatoren durch die örtliche Inhomogenität des Oberfläohenpotentials gegeben. Um diese klein zu halten» werden bei einigen bisher bekannt gewordenen Spektrometern zusätzliche Ausheizvorriohtungen oder Besohiohtungen mit Edelmetallen vorgesehen (Phys.Rev. 17? (1968) 222), um möglichst schmutzfreie, ideale Oberflächen zu erhalten. Dem gegenüber wird beim erfindungsgemäßen Spektrometer vorzugsweise eine Besohiohtung mit Kohlenstoff vorgesehen, wie sie insbesondere durch Tauohen der Elektroden in eine Suspension von kollodialem Graphit erhalten wird.

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Nachfolgend wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die angefügten Zeichnungen beschrieben; es zeigen schematisch:

Figur 1 den Aufbau eines Spektrometer; Figur 2 dessen Emissionssystem; Figur 3 dessen Linsenprofil; und Figur 4 Kurven für den gemessenen Strom am

Detektor beziehungsweise an der Probe in Abhängigkeit von der Energiebreite ΔΈ.

Das in Figur 1 skizzierte Elektronenstoßspektrometer umfaßt in üblicher Weise ein Emissionssystem 1, Zylinderkondensatoren 2, Linsen 3, Detektoreinrichtungen 4 und eine Versorgungseinheit 5. Die verschiedenen Fokallängen des Emissionssystems werden durch entsprechende Formgebung der Elektroden realisiert, wie sie aus Figur ersichtlich ist, die oben einen Vertikalschnitt und darunter einen Horizontalsohnitt durch das System zeigt. Man erkennt deutlich die unterschiedliche Ausbildung in den beiden Richtungen, insbesondere die spezielle Gestalt des Repellers 6 mit einer gekrümmten Repellerfläohe mit in beiden Richtungen unterschiedlichen Krümmungsradien und ein darauf abgestimmtes Blendensystem 7. Das längliche Linsenprofil mit abgestumpften Ecken ist aus Figur 3 ersiohtlioh.

Bei dem gewählten Beispiel beträgt der Radius der Zylinderkondensatoren r = 35 mm und die Schlitzbreite s = 0,15 mm. Da die Verwendung für Streuung an einkristallinen Proben begrenzter Größe vorgesehen

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Ist, wurde als Schlitzhöhe h=4 mm gewählt. Der Einsehußwinkel Ist«*= 3°. 2ur Prüfung der Eigenschaften des Spektrometers wurde der Strom in der Probenposition und am Detektor als !Funktion der Energiebreite ΔΕ {Ealbwertsbreite) im direkten Durchschuß gemessen (siehe Figur 4)- Die Energie der Elektronen an der Probe wurde dabei fest auf 5 eY gehalten. Energieauflösung von Monochromator und Analysator waren jeweils gleich. Wie aus Figur 4 ersichtlich ist, folgen der Strom in der Probenkammer I und der Strom am Detektor I^ beide der Gleichung 1 beziehungsweise 4, ohne selbst bei ΔΕ = 5meV eine verschlechterte Abbildung durch Abweichungen von dem theoretischen Potenzgesetz anzuzeigen.

Ein vergleichbares Resultat wurde bisher nioht erzielt. I¹Ur die Bewertung des Spektrometers ist die Höhe des Stromes am Detektor bei gegebener Auflösung maßgebend. Leider geben die meisten Autoren lediglich den Strom in der Probenposition an. Die bekanntgewordenen bisherigen Daten bei ΛΕ = 5 meV sind

I_D = 3 * 10 " ¹⁴" A (CE. Kuyatt und J.A.Simpson,

Rev.Sci.Instr. 38 (1967) 103)

I₁J = 5 · 10 ~ ¹⁴ A (J. Ballu, private Mitteilung)

beide circa ein Paktor 100 kleiner als der mit dem hier beschriebenen Spektrometer erzielte Wert ( 6 · 10" A, siehe Figur 4).

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Claims (3)

Kernforschungsanlage Jülich Gesellschaft mit beschränkter Haftung Patentansprüche

1. Elektronenstoßspektrometer für Stoßenergien

" zwischen 1 und 1.000 eV mit elektrostatischen Zylinderkondensatorablenkeinheiten als energiedispersive Einheiten zusammen mit einem speziellen Emissionssystem sowie speziellen Fokussierungselementen, gekennzeichnet durch ein Emissionssystem, bei dem der Fokus senkrecht zur Zylinderachse in bekannter Weise in der Eingangsblende liegt, während der Fokus parallel zur Zylinderachse im Detektor liegt, wobei höchstens ein Fokussierungspunkt parallel zur Zylinderachse verwendet wird sowie durch Schlitzblenden in den energiedispersiven Einheiten, deren Länge größer ist als die Wurzel aus Bahnradius und Schlitzbreite.

2. Elektronenstoßspektrometer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Elektroden mit einer Kohlenstoff-, insbesondere Graphitbeschichtung.

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