EP3724913A1 - Impulse-resolving photo-electron spectrometer and method for impulse-resolving photo-electron spectroscopy - Google Patents

Impulse-resolving photo-electron spectrometer and method for impulse-resolving photo-electron spectroscopy

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Publication number
EP3724913A1
EP3724913A1 EP18827013.6A EP18827013A EP3724913A1 EP 3724913 A1 EP3724913 A1 EP 3724913A1 EP 18827013 A EP18827013 A EP 18827013A EP 3724913 A1 EP3724913 A1 EP 3724913A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrons
electron
kinetic energy
detector
energy
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP18827013.6A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Sergey Borisenko
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Leibnitz-Institut fur Festkorper- und Werkstoffforschung Dresden Ev
Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV
Original Assignee
Leibnitz-Institut fur Festkorper- und Werkstoffforschung Dresden Ev
Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Leibnitz-Institut fur Festkorper- und Werkstoffforschung Dresden Ev, Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV filed Critical Leibnitz-Institut fur Festkorper- und Werkstoffforschung Dresden Ev
Publication of EP3724913A1 publication Critical patent/EP3724913A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/44—Energy spectrometers, e.g. alpha-, beta-spectrometers
    • H01J49/46—Static spectrometers
    • H01J49/48—Static spectrometers using electrostatic analysers, e.g. cylindrical sector, Wien filter
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02—Details
    • H01J49/06—Electron- or ion-optical arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/0004—Imaging particle spectrometry
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/44—Energy spectrometers, e.g. alpha-, beta-spectrometers
    • H01J49/46—Static spectrometers

Definitions

  • the invention relates to the field of physics and relates to a pulse-resolving photoelectron spectrometer, with which and with the method of pulse-resolving photoelectron spectroscopy, the physical properties of materials can be determined by their energy distribution and electronic structure.
  • the physical properties of materials are determined by the electronic structure of the material. Therefore, it is advantageous and necessary to gain extensive and detailed knowledge of the electronic structure of the materials. Furthermore, this knowledge can also contribute to the prediction of new compounds and / or physical properties. Likewise, with this knowledge, electronic components such as transistors or solar cells can be constructed in terms of their properties. In order to determine the electronic structure of a material, the behavior of the electrons in the material and in particular their energy and momentum must be determined.
  • the impulse describes the mechanical motion state of an electron.
  • the impulse is a vectorial quantity and thus has an amount and a direction (Wikipedia, keyword impulse).
  • the surface of the material must be atomically clean, which can only be achieved in ultrahigh vacuum (UHV).
  • UHV ultrahigh vacuum
  • electron spectrometers which serve for the energy and momentum analysis of electrons. They usually consist of a lens, an analyzer that lets electrons of a particular energy through with a certain direction, as well as a detector (Wikipedia, keyword
  • Lenses in an electron spectrometer are electron lenses
  • Electron lenses are components for deflecting electron beams by inhomogeneous electrical and / or magnetic fields. Analogous to optical lenses, rays emitted by electron lenses from one point in different directions can be imaged again in one spot
  • Electron lenses are generally made up of several tube lenses or pinhole diaphragms with a potential field. Due to the different potentials of electron-driven lenses, these act as a converging lens or diffusing lens. In this way, a potential field for the electrons can be built up, which on the one hand can accelerate or decelerate them and on the other hand can focus at a certain desired point.
  • the analyzer has an entrance slit for the electrons and an exit slit to the detector or spatially resolved detectors.
  • For filtering the electron energy the deflection of the electrons in an electric or magnetic field is utilized. Only the electrons of a certain energy (pass energy), which hit the entrance slit at a certain angle in one direction, can then pass through the entrance and exit slits.
  • the pass energy of the filter is controlled by changing the electrical voltage, so that then also electrons with different energy can pass.
  • the transmitted electrons are counted by the detector and represented as a distribution of the number of electrons of a given direction.
  • an energy distribution of the electrons can then be determined via these multiplicity of directions and, in most cases, visualized.
  • the detectors are, for example, spatially resolved detectors consisting of a microchannel plate (MCP) and a fluorescent screen.
  • a typical representative of the first class is the spectrometer based on the grating arrangement. Electrons leaving the sample fly through the multiple spherical grids, which act as a flop and low pass filter and select only those electrons that are to reach the detector and be counted.
  • the advantage of these display-type electron analyzers is that a relatively large portion of the momentum space can be studied immediately (large angular acceptance), the design typically involving many elements including the mirrors and spherical gratings (Rieger, D., et al., Nucl. Instr Methods, 208, 777 (1983), H. Matsuda et al: J. Electron Spectrosc., Relat.
  • Such hemispherical electron analyzers are the most successful devices of the above classes. Their energy resolution can reach a sub-meV level, while their angular resolution can be as good as 0.2 °. This is achieved by a sophisticated combination of the electron lens and two flemis spheres (Martensson, N., et al: J. Electron Spectrosc., Relat. Phenom., 70, 117-128, (1994)). First, the electron lens, consisting of 5-7 elements, projects the electron beams to the entrance slit of the analyzer.
  • the electron optics are adjusted so that the entrance slit lies in the focal plane of the electron lens, which means that electrons that have left the sample surface at a certain angle lie on the circle of particular radius in that plane.
  • the distance from the center of the entrance slit corresponds to this angle, which is the convenient way to distinguish between them and to measure the angular distribution.
  • all these electrons which have passed through the entrance slit are energy-analyzed.
  • the photoelectron spectrometer consists of a measuring range, a lens system with a substantially straight optical axis, a deflector arrangement which deflects the particle beam at least twice, a detection arrangement which is capable of the positions of the charged particles in the measuring range in two dimensions and a control unit that controls the deflector assembly.
  • the time-of-fligth electron analyzers work according to the TOF technology of the same name (R. Ovsyannikov et al .: J. Electron Spectrosc., Relat. Phenom. 191, 92-103 (2013)).
  • the TOF electron analyzers have no entrance slits and hemispheres.
  • the electrons are collected in a cone and their energy and momentum are measured simultaneously.
  • the energy filtering is accomplished by placing the detector very far from the sample to be examined and measuring the time of flight of the electrons through the spectrometer.
  • microchannel plate detectors microchannel plates
  • delay line detectors are often used.
  • time-of-fligth electron analyzer is known, with which the kinetic energy of a particle beam of a sample can be determined, and which consists of a first, second and third lens system as well as a 90 ° bandpass filter wherein two spherical electrically conductive plates are coupled to the first and third lens systems, and which comprises a high-speed multi-channel detector (MCP) which captures the photo-emitted electrons after reflection from a target.
  • MCP multi-channel detector
  • the main disadvantage of the method with the TOF electron analyzers is mainly that a pulsed radiation with a rather narrow pulse width must be realized.
  • the use of synchrotron radiation is thus limited to a single-beam mode and the repetition rates of laboratory lasers are usually insufficient to provide an adequate information rate.
  • the object of the present invention is to provide a pulse-resolving photoelectron spectrometer with which a simple construction of the device components is realized with a significantly reduced volume of construction and the determination of the distribution of the pulse of photoelectrons at a certain kinetic energy using a method of pulse-resolving
  • the components are arranged in a chamber in which at least during the measurements floc vacuum or ultra-high vacuum is present.
  • the electron emission sample consists of the material to be examined.
  • the electron lens of the focusing system generates an electric field by which a focal plane for a given kinetic energy of electrons is generated, in which the focusing of the electrons is realized with this specific and the same kinetic energy and with the same momentum.
  • the electron lens of the focusing system consists of a container which has a cylindrical inlet opening and within which two further cylindrical elements are arranged one behind the other.
  • the at least one detector is arranged in the focal plane of the electron lens as a microchannel plate, wherein even more advantageously the detector or detectors are arranged in the container transversely to the optical axis after the three cylindrical elements.
  • grids are arranged in front of the detectors, which are advantageously also arranged in the container and / or advantageously also in the focal plane of the electron lens.
  • the electron lens and / or the detector are designed to be variable in the focal plane of the electron lens by applying a voltage with regard to the detectability of the kinetic energy of the electrons to be focused and detected.
  • electrons are released from an electron emission sample and passed through a focusing system, wherein an electric field is generated by the focusing system, by which the focusing of electrons from a desired kinetic energy to Fermi energy in a certain kinetic Energy associated focal plane of the focusing system is realized, and wherein all electrons with this desired kinetic energy and a substantially same momentum, that is substantially the same Exit direction from the electron emission sample, focused and detected at substantially one point on a detector in the focal plane of the focusing system.
  • electrons will be released from the surface of the electron emission sample by means of photon beam in the form of synchrotron radiation, laser radiation or radiation from other radiation sources, such as a flamelamp, wherein advantageously still the photon beam is a monochromatic photon beam.
  • the desired kinetic energy is set to Fermi energy of the electrons to be focused.
  • substantially all electrons which have a kinetic energy below the desired kinetic energy of the electrons to be detected are braked by the focusing system in front of the detector and thus not detected.
  • the momentum distribution of the emitted electrons is determined as a function of their kinetic energy as a pictorial representation.
  • a pulse-resolving photoelectron spectrometer which in the direction of the optical axis one behind the other at least arranged in a vacuum components, each of which is at least one electron emission and a focusing system with an electron lens and a detector comprises.
  • the electron emission sample consists at least partially and in the region of the impact of the photon beam for the extraction of electrons from the material to be examined.
  • a focusing system which consists of an electron lens and a detector.
  • electrons each having essentially the same kinetic energy and of these electrons focusing those which have left the electron emission specimen in essentially the same exit direction are focused at substantially one point in the respective focal plane of the electron lens, which corresponds to the desired kinetic energy.
  • the detector is in each case in this focal plane.
  • an electric field is generated by the focusing system, which generates a focal plane for the kinetic energy E1.
  • the focal planes intersect the optical axis and can be generated at different distances from the electron emission sample along the optical axis.
  • the detector is then in this focal plane.
  • the focal plane generated by the focusing system is at a different distance from the electron emission sample along the optical axis.
  • the electron lens consists of three cylindrical elements, which are arranged one behind the other and at a distance from one another in the direction of the optical axis of the device according to the invention.
  • the cylindrical elements generate a potential field in their interior, which focuses the electrons emitted by the electron emission probe.
  • the electrons which are to be focused each have the same kinetic energies from a common lower limit of the kinetic energies and the respectively same exit directions from the electron emission sample. These electrons are all focused at one point in the respective focal planes of the focusing system.
  • the electrons emitted by the electron emission sample have a kinetic energy which corresponds to their energy in the crystal of the material of the electron emission sample.
  • Fermi energy As is known, there is a maximum energy of electrons, the so-called Fermi energy. A higher energy can not have electrons. Again, the kinetic energy of these electrons corresponds to the Fermi energy in the crystal, and is also referred to below as Fermi energy.
  • the particular advantage of the device according to the invention is that electrons focus with different kinetic energies and exit directions and thus a plurality of individual points in the respective focal planes can be detected.
  • a lower limit of the kinetic energy to be detected by adjusting the potential field by the electron lens and / or the detector, and also by incorporation of grids within the electron lens and in front of the detector can be determined. Electrons with kinetic energies below the desired lower limit are slowed down and thus not detected. All electrons with a kinetic energy from the desired set lower limit to electrons with Fermi energy can then be focused and detected.
  • the focal plane of the electron lens should be understood to focus all electrons which have the same kinetic energy in the respective focal plane which is generated by the respective potential field of the focusing system.
  • the focal plane of the electron lens is not only a plane in a two-dimensional space, but may be an area in a three-dimensional space that is curved or spherically shaped, for example, or may have valleys and fleas one or more times within the area.
  • the electron lens and the detector can be arranged in a container within the chamber, wherein the container has an electron entrance opening, which is advantageously with element of the electron lens.
  • the focusing of the electrons is effected by an electric field, which is generated by the cylindrical elements of the electron lens and the detector with different potentials.
  • the electron lens of the focusing system according to the invention is an electron lens, which consists of three cylindrical elements which are arranged one behind the other in the direction of the optical axis.
  • the detector is one or more spatially resolved detectors, all detectors being arranged in the respective focal plane of the electron lens.
  • the detectors can be displaced on the optical axis of the device according to the invention at different distances from the electron emission sample be arranged so that these detectors can detect electrons in several focal planes successively.
  • the focal planes can also be generated in each case at the position of the detectors by changing the electric field through the focusing system.
  • the at least one detector in the focal plane of the electron lens is designed as a microchannel plate.
  • a particular advantage of the focusing system according to the invention is that in front of the detector or detectors in the direction of the optical axis gratings can be arranged to realize an acceleration of the electron to be detected with the desired kinetic energy in front of the detector of the electron lens, whereby the electrons by the detector better become detectable.
  • the electron-braking voltage can be applied both to the detector or not to the detector but to a grid. In the latter case, another voltage is present between the grating and the detector surface, which accelerates the passing electrons.
  • the grid is positioned in the focal plane of the electron lens and the detector directly behind it, often only at a distance of a few centimeters.
  • the lower limit of the kinetic energy of the electrons to be focused and detected can be adjusted further by applying an altered electrical voltage to the container and / or the electron lens and / or the detector and by generating a focal plane of the electron lens.
  • an analyzer which has an entrance slit for electrons emitted by the electron emission specimen and focused by the focusing system.
  • this is not required according to the invention.
  • the electron lens and the detector in the focal plane of the electron lens or only the electron lens by applying an electrical voltage with respect to the detectable kinetic energy of focussing and detecting electrons and the exit angle of the electrons can be made changeable from the electron emission sample.
  • electrons are released from an electron emission sample and passed through a focusing system, whereby an electric field is generated by the focusing system, which realizes the focusing of electrons of a desired kinetic energy in the focal plane of the electron lens generated for this kinetic energy and wherein all the electrons with this desired kinetic energy and a substantially identical pulse, ie substantially the same exit direction from the electron emission specimen, are focused and detected at essentially one point on a detector in the respective focal plane of the electron lens
  • the momentum distribution of the emitted electrons is determined.
  • the momentum of electrons is to be understood, under which exit direction, which is determined by the angle pair in the x and y direction or the polar and azimuthal angles, the electrons from the surface of the material to be investigated Exit the electron emission sample.
  • the momentum is a vectorial quantity and thus has an amount and a direction.
  • the direction of the impulse is the direction of movement of the object.
  • the amount of the impulse is the product of the mass of the object and the velocity of its center of mass (see Wikipedia, keyword impulse).
  • electrons are advantageously removed from the surface of the electron emission sample by means of photon beam in the form of synchrotron radiation, laser radiation or by means of radiation from other radiation sources, such as a helium lamp, which are then focused and detected.
  • photon beam in the form of synchrotron radiation, laser radiation or by means of radiation from other radiation sources, such as a helium lamp, which are then focused and detected.
  • the Photon beam with which the electrons are released from the electron emission sample monochromatic.
  • the Fermi energy of the electrons is important. Therefore, it is particularly advantageous that in particular only electrons with substantial Fermi energy are detected with the device according to the invention. This is particularly important, because essentially for all the electron emission samples to be studied, the Fermi energy momentum distribution contains essentially all or the most important information about the physical properties of the electron emission sample material.
  • the pulse distribution of the emitted electrons from the electron emission specimen is determined at an energy which is slightly higher than the energy of the first measurement set as the lower limit of the kinetic energy.
  • the momentum distribution at slightly higher kinetic energy is subtracted from the momentum distribution at lower kinetic energy.
  • the difference in kinetic energies at which the measurements are made determines the accuracy of the momentum distribution at the lower kinetic energy.
  • the method according to the invention for pulse-resolving photoelectron spectroscopy can be realized.
  • inventive method and the pulse-resolving photoelectron spectrometer expensive and expensive components can be saved, such as grids or hemispherical analyzers. It is also possible to work with conventional light sources.
  • the pulse resolution is a measure of the accuracy of the pulse distribution.
  • the signals are simultaneously available from a large part of the room to be detected (pulse space) in a solid angle of up to 30 °, which is otherwise only possible with ToF and display type analyzers.
  • the pulse distribution is further imaged with the solution according to the invention almost directly on the detector in the focal plane of the electron lenses, without it being necessary to recalculate them from the angular distribution.
  • the essential difference of the solution according to the invention with the solutions of the prior art is in particular that electrons are not detected at different kinetic energies, which emerge from the electron emission probe under only one specific exit direction, but that electrons with a certain desired kinetic energy below each Outlet direction (ie pulse) focused and detected.
  • the pulse distribution at a specific, desired kinetic energy of electrons of an electron emission sample can be determined with essentially two measurements, and the physical properties of the electron emission sample can be immediately deduced.
  • the pulse distribution at a desired energy of the electrons with the solutions of the prior art can only be determined by a significantly higher number of measurements and / or with a significantly higher expenditure on equipment.
  • the electron emission sample it is also not necessary for the electron emission sample to be moved and / or rotated during the detection.
  • the solution according to the invention achieves a higher transmission of electrons and thus a higher intensity of the electrons at the detector, which leads to a higher information rate for the evaluation of the determined data.
  • the data acquisition at the detector or detectors becomes significantly faster, so that more information can also be collected from the electron emission sample.
  • an electron emission probe and the focusing system in the direction of the optical axis, starting from the electron emission sample, are arranged one behind the other.
  • the electron emission sample consists of TaSe2 and has the following dimensions: 1 mm surface diameter and 0.2 mm height.
  • the focusing system consists of an electron lens and a detector.
  • the electron lens consists of a cylindrical container with a length of 108 mm and a diameter of 140 mm and a cylindrical inlet opening of 30 mm diameter and 15 mm length.
  • two cylindrical members each having a radius of 49 mm and a length of the first cylinder of 35 mm and the second cylinder of 42 mm in length are arranged at a distance of 5 mm in the direction of the optical axis.
  • the cylindrical element adjacent to the inlet opening of the container is located at a distance of 11 mm from the inner edge of the cylindrical inlet opening.
  • the sample is located 28 mm away from the container opening.
  • the detector is a circular microchannel plate of 75 mm diameter, which is arranged at a distance of 130 mm from the sample, that is still within the second cylindrical element transverse to the optical axis in the container, and which is coupled to a phosphor screen arranged behind it (standard design , so-called MCP assembly or MCP assembly).
  • the electrons are emitted from the sample surface by the radiation of the He lamp with a photon energy of 21, 2 eV. Because of the work function of about 4.2 eV of TaSe2, the electrons have the highest kinetic energy of ⁇ 17 eV, depending on the temperature of the sample. This energy is the Fermi energy and the corresponding momentum distribution is the so-called Fermi surface.
  • the following voltages are applied to the focusing elements:
  • the intensity distribution at the surface of the detector corresponds directly to the Fermi momentum distribution or the Fermi area of TaSe2. This intensity distribution is amplified by the detector (MCP) and is on the coupled phosphor screen visible. It can be picked up by the CCD camera from outside the vacuum camera through the window flange.

Abstract

The invention relates to the field of physics and relates to an impulse-resolving photo-electron spectrometer, by means of which the physical properties can be determined. The aim of the invention is to provide an impulse-resolving photo-electron spectrometer enabling the device components to have a simple structure with a significantly reduced overall volume. The aim of the invention is achieved by means of an impulse-resolving photo-electron spectrometer comprising components arranged one behind the other in the direction of the optical axis at least in a vacuum and which are each at least one electron emission sample and a focusing system, wherein the focusing system consists of at least one electron lens and at least one detector, wherein the electron lens consists of three cylindrical elements, wherein the first cylindrical element has a potential = 0 and the two subsequently arranged cylindrical elements have a potential of ≠ 0, and wherein the detector is one or more spatially resolved detectors which are arranged in the focal plane of the electron lens.

Description

Impulsauflösendes Photoelektronenspektrometer und Verfahren zur impulsauflösenden Photoelektronenspektroskopie  Pulse-resolving photoelectron spectrometer and method for pulse-resolving photoelectron spectroscopy
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Physik und betrifft ein impulsauflösendes Photoelektronenspektrometer, mit dem und mit dem Verfahren zur impulsauflösenden Photoelektronenspektroskopie die physikalischen Eigenschaften von Materialien anhand ihrer Energieverteilung und elektronischen Struktur ermittelt werden können. The invention relates to the field of physics and relates to a pulse-resolving photoelectron spectrometer, with which and with the method of pulse-resolving photoelectron spectroscopy, the physical properties of materials can be determined by their energy distribution and electronic structure.
Die physikalischen Eigenschaften von Materialien, wie beispielsweise der elektrische Widerstand, die optische Absorption, die Plastizität usw. werden durch die elektronische Struktur des Materials bestimmt. Daher ist es vorteilhaft und notwendig, umfangreiche und detaillierte Kenntnisse der elektronischen Struktur der Materialien zu erlangen. Weiterhin können diese Kenntnisse auch zur Vorhersage von neuen Verbindungen und/oder physikalischen Eigenschaften beitragen. Ebenso können mit diesen Kenntnissen elektronische Bauteile, wie beispielsweise Transistoren, oder Solarzellen im Hinblick auf ihre Eigenschaften konstruiert werden. Um die elektronische Struktur eines Materials zu ermitteln, muss das Verhalten der Elektronen in dem Material und insbesondere ihre Energie und ihr Impuls ermittelt werden. The physical properties of materials, such as electrical resistance, optical absorption, plasticity, etc., are determined by the electronic structure of the material. Therefore, it is advantageous and necessary to gain extensive and detailed knowledge of the electronic structure of the materials. Furthermore, this knowledge can also contribute to the prediction of new compounds and / or physical properties. Likewise, with this knowledge, electronic components such as transistors or solar cells can be constructed in terms of their properties. In order to determine the electronic structure of a material, the behavior of the electrons in the material and in particular their energy and momentum must be determined.
Der Impuls beschreibt den mechanischen Bewegungszustand eines Elektrons. Der Impuls ist im Gegensatz zur kinetischen Energie eine vektorielle Größe und hat damit einen Betrag und eine Richtung (Wikipedia, Stichwort Impuls).  The impulse describes the mechanical motion state of an electron. In contrast to kinetic energy, the impulse is a vectorial quantity and thus has an amount and a direction (Wikipedia, keyword impulse).
Die bekannteste Art, die Energie und den Impuls von Elektronen in einem Festkörper zu ermitteln, ist die Verwendung von Einsteins Erhaltungsgesetz des photoelektrischen Effektes, für welches er den Nobelpreis erhielt. Dazu wurden in einem Experiment durch auftreffendes monochromatischen Lichtes auf eine Metalloberfläche Elektronen von der Oberfläche ausgestoßen. Diese Photoelektronen tragen die Information über ihre Energie und ihren Impuls im Material. Wenn also ihre kinetische Energie und ihre Richtungen, also ihr Impuls, beim Austritt von der Oberfläche ermittelt werden kann, können Rückschlüsse auf die physikalischen Eigenschaften des Materials getroffen werden. The best known way of detecting the energy and momentum of electrons in a solid is to use Einstein's law of conservation of the photoelectric effect, for which he was awarded the Nobel Prize. For this purpose, electrons were ejected from the surface in an experiment by incident monochromatic light on a metal surface. These photoelectrons carry the information about their energy and their momentum in the material. Thus, if their kinetic energy and their directions, ie their momentum, can be determined upon exiting the surface, conclusions can be drawn about the physical properties of the material.
Dies ist aber aus mindestens den nachfolgenden Gründen nicht einfach zu realisieren, da viele Kriterien bei der Ermittlung von Energie und Impuls berücksichtigt werden müssen. However, this is not easy to realize for at least the following reasons, since many criteria must be considered in the determination of energy and momentum.
So muss die Oberfläche des Materials atomar sauber sein, was nur im Ultrahochvakuum (UHV) erreicht werden kann. Dies wiederum führt dazu, dass die Ausstoßung und Ermittlung der Photoelektronen überhaupt und ihrer Richtung ebenfalls im UHV stattfinden müssen, was die technischen Möglichkeiten erheblich einschränkt.  Thus, the surface of the material must be atomically clean, which can only be achieved in ultrahigh vacuum (UHV). This in turn means that the ejection and detection of the photoelectrons in general and their direction must also take place in the UHV, which limits the technical possibilities considerably.
Weiter müssen externe elektrische und magnetische Felder entlang des Weges des Lichtes und der Photoelektronen bis zum Detektor weitestgehend verhindert und/oder abgeschirmt werden, da sonst Veränderungen des Messergebnisses auftreten, die zu fehlerhaften Ergebnissen führen.  Furthermore, external electrical and magnetic fields along the path of the light and the photoelectrons to the detector must be largely prevented and / or shielded, since otherwise changes in the measurement result occur which lead to erroneous results.
Um aussagekräftige und relevante Messergebnisse zu erreichen, muss eine möglichst große Anzahl von ausgestoßenen Photoelektronen hinsichtlich Energie und Impuls bestimmt werden, was aufwändige Detektionseinrichtungen erfordert. Dazu werden Elektronenspektrometer eingesetzt, die zur Energie- und Impulsanalyse von Elektronen dienen. Sie bestehen in der Regel aus einer Linse, einem Analysator, der Elektronen einer bestimmten Energie mit einer bestimmten Laufrichtung durchlässt, sowie aus einem Detektor (Wikipedia, StichwortTo obtain meaningful and relevant measurement results, the largest possible number of ejected photoelectrons must be determined in terms of energy and momentum, which requires complex detection devices. For this purpose, electron spectrometers are used, which serve for the energy and momentum analysis of electrons. They usually consist of a lens, an analyzer that lets electrons of a particular energy through with a certain direction, as well as a detector (Wikipedia, keyword
Elektronenspektrometer). Electron spectrometer).
Linsen in einem Elektronenspektrometer sind Elektronenlinsen Lenses in an electron spectrometer are electron lenses
Elektronenlinsen sind Bauteile zur Ablenkung von Elektronenstrahlen durch inhomogene elektrische und/oder magnetische Felder. Analog zu optischen Linsen können mit Elektronenlinsen von einem Punkt in verschiedene Richtungen ausgehende Strahlen wieder in einem Punkt abgebildet werdenElectron lenses are components for deflecting electron beams by inhomogeneous electrical and / or magnetic fields. Analogous to optical lenses, rays emitted by electron lenses from one point in different directions can be imaged again in one spot
(www.spektrum.de/lexikon/physik/elektronenlinsen). (Www.spektrum.de/lexikon/physik/elektronenlinsen).
Elektronenlinsen sind im Allgemeinen aus mehreren Rohrlinsen oder Lochblenden mit einem Potentialfeld aufgebaut. Durch die unterschiedlichen Potentiale der Elektronennen Linsen wirken diese als Sammellinse oder Streulinse. Damit kann ein Potentialfeld für die Elektronen aufgebaut werden, welche diese einerseits beschleunigen oder bremsen kann und andererseits an einem bestimmten gewünschten Punkt fokussieren kann.  Electron lenses are generally made up of several tube lenses or pinhole diaphragms with a potential field. Due to the different potentials of electron-driven lenses, these act as a converging lens or diffusing lens. In this way, a potential field for the electrons can be built up, which on the one hand can accelerate or decelerate them and on the other hand can focus at a certain desired point.
Der Analysator besitzt einen Eintrittsspalt für die Elektronen und einen Austrittsspalt zum Detektor oder ortsaufgelöste Detektoren. Zur Filterung der Elektronenenergie wird die Ablenkung der Elektronen in einem elektrischen oder magnetischen Feld ausgenutzt. Nur die Elektronen einer bestimmten Energie (pass energy), welche unter einem bestimmten Winkelbereich in einer Richtung auf den Eintrittsspalt treffen, können dann den Eintritts- und Austrittsspalt passieren. Die Passenergie des Filters wird durch Veränderung der elektrischen Spannung geregelt, so dass dann auch Elektronen mit anderer Energie passieren können. The analyzer has an entrance slit for the electrons and an exit slit to the detector or spatially resolved detectors. For filtering the electron energy, the deflection of the electrons in an electric or magnetic field is utilized. Only the electrons of a certain energy (pass energy), which hit the entrance slit at a certain angle in one direction, can then pass through the entrance and exit slits. The pass energy of the filter is controlled by changing the electrical voltage, so that then also electrons with different energy can pass.
Für die verschiedenen Passenergieen werden die hindurchgetretenen Elektronen durch den Detektor gezählt und als Verteilung der Anzahl der Elektronen einer bestimmten Richtung dargestellt. Über die Ermittlung der Verteilung der Anzahl der Elektronen einer Vielzahl von Richtungen kann dann eine Energieverteilung der Elektronen über diese Vielzahl an Richtungen ermittelt und meist bildlich dargestellt werden. Die Detektoren sind beispielsweise ortsaufgelöste Detektoren, die aus einer Mikrokanalplatte (MCP) und einem Fluoreszenzschirm bestehen. For the various pass energies, the transmitted electrons are counted by the detector and represented as a distribution of the number of electrons of a given direction. By determining the distribution of the number of electrons in a plurality of directions, an energy distribution of the electrons can then be determined via these multiplicity of directions and, in most cases, visualized. The detectors are, for example, spatially resolved detectors consisting of a microchannel plate (MCP) and a fluorescent screen.
Zur Realisierung dieser Untersuchungen sind bereits Vorrichtungen zur winkelaufgelösten Photoelektronenspektroskopie (ARPES) bekannt. Mit diesen Vorrichtungen kann die elektronische Struktur von Materialien direkt erforscht werden. Die ultimative Aufgabe eines solchen Elektronenanalysators ist es, die kinetische Energie und die Richtung zu bestimmen, bei der Photoelektronen die Oberfläche von Materialien verlassen. Diese Vorrichtungen können in drei Klassen eingeteilt werden: Elektronenanalysatoren vom Display-Typ, halbkugelförmige Elektronenanalysatoren und Time-of-Fligth-Elektronenanalysatoren. Devices for angle-resolved photoelectron spectroscopy (ARPES) are already known for the realization of these investigations. With these devices, the electronic structure of materials can be explored directly. The ultimate task of such an electron analyzer is to determine the kinetic energy and the direction in which photoelectrons leave the surface of materials. These devices can be divided into three classes: display-type electron analyzers, hemispherical electron analyzers, and time-of-fligth electron analyzers.
Ein typischer Vertreter der ersten Klasse ist das Spektrometer basierend auf der Gitteranordnung. Elektronen, die die Probe verlassen, fliegen durch die mehreren sphärischen Gitter, die als Floch- und Tiefpaßfilter wirken und nur diejenigen Elektronen auswählen, die den Detektor erreichen und gezählt werden sollen. Der Vorteil dieser Elektronenanalysatoren vom Display-Typ besteht darin, dass ein relativ großer Teil des Impulsraumes sofort untersucht werden kann (große Winkelakzeptanz), wobei die Konstruktion typischerweise viele Elemente einschließlich der Spiegel und sphärischen Gitter umfasst (D. Rieger et al: Nucl. Instr. Methods, 208, 777 (1983); H. Matsuda et al: J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. 195, 382-398 (2014)). Durch die sphärischen Gitter wird die Auflösung aufgrund des Mikrolinseneffektes im Zusammenhang mit der endlichen Größe der Gitterzellen begrenzt. Infolgedessen ist die Energie- und Impulsauflösung solcher Spektrometer relativ schlecht im Vergleich zu dem, was mit halbkugelförmigen Elektronenanalysatoren erreichbar ist. A typical representative of the first class is the spectrometer based on the grating arrangement. Electrons leaving the sample fly through the multiple spherical grids, which act as a flop and low pass filter and select only those electrons that are to reach the detector and be counted. The advantage of these display-type electron analyzers is that a relatively large portion of the momentum space can be studied immediately (large angular acceptance), the design typically involving many elements including the mirrors and spherical gratings (Rieger, D., et al., Nucl. Instr Methods, 208, 777 (1983), H. Matsuda et al: J. Electron Spectrosc., Relat. Phenom., 195, 382-398 (2014)). Due to the spherical lattice, the resolution is limited due to the microlens effect associated with the finite size of the lattice cells. As a result, the energy and momentum resolution of such spectrometers is relatively poor compared to what is achievable with hemispherical electron analyzers.
Solche halbkugelförmigen Elektronenanalysatoren sind die erfolgreichsten Vorrichtungen der genannten Klassen. Ihre Energieauflösung kann ein Sub-meV- Niveau erreichen, während ihre Winkelauflösung so gut wie 0,2 ° sein kann. Dies wird durch eine anspruchsvolle Kombination der Elektronenlinse und von zwei Flemisphären erreicht (N. Martensson et al: J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. 70, 117-128, (1994)). Zuerst projiziert die Elektronenlinse, bestehend aus 5 - 7 Elementen die Elektronenstrahlen zum Eintrittsspalt des Analysators. Die Elektronenoptik ist so eingestellt, dass der Eintrittsspalt in der Brennebene der Elektronenlinse liegt, was bedeutet, dass Elektronen, die die Probenoberfläche bei einem bestimmten Winkel verlassen haben, auf dem Kreis mit besonderem Radius in dieser Ebene liegen. Infolgedessen entspricht der Abstand von der Mitte des Eintrittsspaltes diesem Winkel, der die bequeme Möglichkeit ist, zwischen ihnen zu unterscheiden und die Winkelverteilung zu messen. Anschließend werden alle diese Elektronen, die durch den Eintrittsspalt hindurchgegangen sind, energieanalysiert. Such hemispherical electron analyzers are the most successful devices of the above classes. Their energy resolution can reach a sub-meV level, while their angular resolution can be as good as 0.2 °. This is achieved by a sophisticated combination of the electron lens and two flemis spheres (Martensson, N., et al: J. Electron Spectrosc., Relat. Phenom., 70, 117-128, (1994)). First, the electron lens, consisting of 5-7 elements, projects the electron beams to the entrance slit of the analyzer. The electron optics are adjusted so that the entrance slit lies in the focal plane of the electron lens, which means that electrons that have left the sample surface at a certain angle lie on the circle of particular radius in that plane. As a result, the distance from the center of the entrance slit corresponds to this angle, which is the convenient way to distinguish between them and to measure the angular distribution. Subsequently, all these electrons which have passed through the entrance slit are energy-analyzed.
Der Nachteil dieser Lösungen besteht darin, dass nur ein kleiner Teil aller Photoelektronen gleichzeitig analysiert wird. Um den Rest zu behandeln, muss entweder die Probe gedreht werden, was im UHV eine anspruchsvolle Aufgabe ist, oder die Spannungen der Linsenelemente verändert werden, um andere Elektronenstrahlen zum Eintrittsspalt projizieren zu können. Beide Lösungen zur Verbesserung der Nachteile derartiger halbkugelförmiger Elektronenanalysatoren bringen Verbesserungen bis zu einem gewissen Grad, jedoch sind durch die Vielzahl der Parameter, die dann angepasst werden müssen, die Messungen sehr zeitaufwändig und erfordern ein hohes Maß an Ausrüstungen am Elektronenanalysator, was sehr kostenintensiv ist. The disadvantage of these solutions is that only a small portion of all the photoelectrons are analyzed simultaneously. To handle the remainder, either the sample must be rotated, which is a demanding task in UHV, or the voltages of the lens elements altered to project other electron beams to the entrance slit. Both of these solutions to improve the disadvantages of such hemispherical electron analyzers provide improvements to some extent, however, due to the large number of parameters that then need to be adjusted, the measurements are very time consuming and require a high level of equipment on the electron analyzer, which is very costly.
Aus der EP 2 851 933 B1 ist ein Verfahren zur Bestimmung eines Parameters von geladenen Teilchen und ein Photo-Elektronenspektrometer von einem Halbkugel- Ablenker-Typ zum Analysieren einer Teilchenaussendeprobe bekannt. Das Photo- Elektronenspektrometer besteht dabei aus einem Messbereich, einem Linsensystem mit einer im Wesentlichen geraden optischen Achse, einer Ablenkeranordnung, die den Teilchenstrahl mindestens zweimal ablenkt, einer Erfassungsanordnung, die in der Lage ist, die Positionen der geladenen Teilchen im Messbereich in zwei Dimensionen zu erfassen, und eine Steuereinheit, die die Ablenkeranordnung steuert. From EP 2 851 933 B1 a method for the determination of a parameter of charged particles and a photo-electron spectrometer of a hemisphere deflector type for analyzing a particle emission sample are known. The photoelectron spectrometer consists of a measuring range, a lens system with a substantially straight optical axis, a deflector arrangement which deflects the particle beam at least twice, a detection arrangement which is capable of the positions of the charged particles in the measuring range in two dimensions and a control unit that controls the deflector assembly.
Die Time-of-Fligth-Elektronenanalysatoren funktionieren nach der gleichnamigen TOF-Technologie (R. Ovsyannikov et al: J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. 191 , 92-103 (2013)). Im Gegensatz zur den halbkugelförmigen Elektronenanalysatoren haben die TOF-Elektronenanalysatoren keine Eintrittsspalte und Halbkugeln. Die Elektronen werden in einem Kegel gesammelt und ihre Energie und Impuls werden gleichzeitig gemessen. Die Energiefilterung erfolgt dadurch, dass der Detektor sehr weit von der zu untersuchenden Probe entfernt angeordnet ist, und die Zeit des Fluges der Elektronen durch das Spektrometer gemessen wird. Dazu werden oft Mikrokanalplattendetektoren (Microchannelplates) und Verzögerungsleitungs- detektoren (delay-line detectors) eingesetzt. The time-of-fligth electron analyzers work according to the TOF technology of the same name (R. Ovsyannikov et al .: J. Electron Spectrosc., Relat. Phenom. 191, 92-103 (2013)). In contrast to the hemispherical electron analyzers the TOF electron analyzers have no entrance slits and hemispheres. The electrons are collected in a cone and their energy and momentum are measured simultaneously. The energy filtering is accomplished by placing the detector very far from the sample to be examined and measuring the time of flight of the electrons through the spectrometer. For this purpose microchannel plate detectors (microchannel plates) and delay line detectors are often used.
Gemäß der WO 2011/019457 ist Time-of-Fligth-Elektronenanalysator bekannt, mit dem die kinetische Energie eines Teilchenstrahles einer Probe ermittelt werden kann, und welcher aus einem ersten, zweiten und dritten Linsensystem sowie einem 90°- Bandpass-Filter besteht, von dem zwei sphärische elektrisch leitende Platten mit dem ersten und dritten Linsensystem gekoppelt sind, und welcher einen Hochgeschwindigkeits-Multikanal-Detektor (MCP) aufweist, der die photoemittierten Elektronen nach der Reflektion von einem Target auffängt. According to WO 2011/019457, time-of-fligth electron analyzer is known, with which the kinetic energy of a particle beam of a sample can be determined, and which consists of a first, second and third lens system as well as a 90 ° bandpass filter wherein two spherical electrically conductive plates are coupled to the first and third lens systems, and which comprises a high-speed multi-channel detector (MCP) which captures the photo-emitted electrons after reflection from a target.
Der Hauptnachteil des Verfahrens mit den TOF-Elektronenanalysatoren besteht hauptsächlich darin, dass eine gepulste Strahlung mit einer eher schmalen Pulsbreite realisiert werden muss. Der Einsatz von Synchrotronstrahlung ist somit auf eine Ein- Bündel-Betriebsart beschränkt und die Wiederholraten von Laboratorien-Lasern reichen meist nicht aus, um eine angemessene Informationsrate zu liefern. The main disadvantage of the method with the TOF electron analyzers is mainly that a pulsed radiation with a rather narrow pulse width must be realized. The use of synchrotron radiation is thus limited to a single-beam mode and the repetition rates of laboratory lasers are usually insufficient to provide an adequate information rate.
Für alle Vorrichtungen des Standes der Technik zur Ermittlung der elektronischen Struktur eines Materials ist zu sagen, dass jeweils eine Vielzahl an Messungen erforderlich ist, um die gewünschte Verteilung des Impulses bei einer bestimmten kinetischen Energie der Photoelektronen zu bestimmen. Ebenfalls sind oft umfangreiche und kostenintensive Vorrichtungen für derartige Messungen erforderlich. For all devices of the prior art for determining the electronic structure of a material, it should be said that in each case a large number of measurements is required in order to determine the desired distribution of the pulse at a specific kinetic energy of the photoelectrons. Also, often extensive and expensive devices are required for such measurements.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe eines impulsauflösenden Photoelektronenspektrometers, mit dem ein einfacher Aufbau der Vorrichtungsbauelemente mit deutlich verringertem Bauvolumen realisiert wird und die Ermittlung der Verteilung des Impulses von Photoelektronen bei einer bestimmten kinetischen Energie mit einem Verfahren zur impulsauflösendenThe object of the present invention is to provide a pulse-resolving photoelectron spectrometer with which a simple construction of the device components is realized with a significantly reduced volume of construction and the determination of the distribution of the pulse of photoelectrons at a certain kinetic energy using a method of pulse-resolving
Photoelektronenspektroskopie deutlich einfacher und effizienter realisiert wird. Photoelectron spectroscopy is realized much easier and more efficient.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche. The object is achieved by the invention specified in the claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
Das erfindungsgemäße impulsauflösende Photoelektronenspektrometer enthält in Richtung der optischen Achse hintereinander mindestens in einem Vakuum angeordnete Bauelemente, die jeweils mindestens eine Elektronenaussendeprobe und ein Fokussierungssystem sind, wobei das Fokussierungssystem aus mindestens einer Elektronenlinse und mindestens einen Detektor besteht, wobei die Elektronenlinse aus drei zylinderförmigen Elementen besteht, die in Richtung der optischen Achse hintereinander und in einen Abstand voneinander angeordnet sind, wobei das erste zylinderförmige Element ein Potential = 0 aufweist und die beiden nachfolgend angeordneten zylinderförmigen Elemente ein Potential von F 0 aufweisen, wobei diese beiden zylinderförmigen Elemente nicht das gleich Potential aufweisen, und wobei durch das Fokussierungssystem Elektronen mit jeweils im Wesentlichen gleicher kinetischer Energie fokussiert und detektiert und von diesen Elektronen diejenigen, die die Elektronenaussendeprobe mit dem gleichen Impuls verlassen haben, in im Wesentlichen einem Punkt in der Brennebene des Fokussierungssystems für diese gleiche kinetische Energie fokussiert sind, und wobei der Detektor ein oder mehrere ortsaufgelösten Detektoren sind, die in der Brennebene des Fokussierungssystems angeordnet sind, und wobei bei dem Fokussierungssystem über Anlegen einer veränderten elektrischen Spannung an den zylinderförmigen Elementen der Elektronenlinse und/oder dem Detektor eine Untergrenze der kinetischen Energie bis Fermi-Energie der zu fokussierenden und detektierenden Elektronen einstellbar ist. The pulse-resolving photoelectron spectrometer according to the invention comprises successively arranged in the direction of the optical axis at least in a vacuum components, each of which is at least one electron emission probe and a focusing system, wherein the focusing system consists of at least one electron lens and at least one detector, wherein the electron lens consists of three cylindrical elements, which are arranged one behind the other in the direction of the optical axis and at a distance from each other, wherein the first cylindrical element has a potential = 0 and the two subsequently arranged cylindrical elements have a potential of F 0, wherein these two cylindrical elements do not have the same potential, and focusing and detecting, by the focusing system, electrons each having substantially the same kinetic energy, and of those electrons, those which exclude the electron emission specimen t have focused on the same momentum focused at substantially one point in the focal plane of the focusing system for this same kinetic energy, and wherein the detector is one or more spatially resolved detectors located in the focal plane of the focusing system and in the focusing system By applying an altered electrical voltage to the cylindrical elements of the electron lens and / or the detector, a lower limit of the kinetic energy to Fermi energy of the electron to be focused and detected is adjustable.
Vorteilhafterweise sind die Bauelemente in einer Kammer angeordnet, in welchem mindestens während der Messungen Flochvakuum oder Ultrahochvakuum vorhanden ist. Advantageously, the components are arranged in a chamber in which at least during the measurements floc vacuum or ultra-high vacuum is present.
Weiterhin vorteilhafterweise besteht die Elektronenaussendeprobe aus dem zu untersuchenden Material. Ebenfalls vorteilhafterweise generiert die Elektronenlinse des Fokussierungssystems ein elektrisches Feld, durch welches eine Brennebene für eine bestimmte kinetische Energie von Elektronen generiert wird, in der die Fokussierung der Elektronen mit dieser bestimmten und gleichen kinetischer Energie und mit gleichem Impuls realisiert ist. Further advantageously, the electron emission sample consists of the material to be examined. Also advantageously, the electron lens of the focusing system generates an electric field by which a focal plane for a given kinetic energy of electrons is generated, in which the focusing of the electrons is realized with this specific and the same kinetic energy and with the same momentum.
Und auch vorteilhafterweise besteht die Elektronenlinse des Fokussierungssystems aus einem Behälter, der eine zylinderförmige Eintrittsöffnung aufweist und innerhalb dessen zwei weitere zylinderförmige Elemente hintereinander angeordnet sind. And also advantageously, the electron lens of the focusing system consists of a container which has a cylindrical inlet opening and within which two further cylindrical elements are arranged one behind the other.
Vorteilhaft ist es auch, wenn der mindestens eine Detektor in der Brennebene der Elektronenlinse als Mikrokanalplatte angeordnet ist, wobei noch vorteilhafterweise der oder die Detektoren in dem Behälter quer zur optischen Achse nach den drei zylinderförmigen Elementen angeordnet sind. It is also advantageous if the at least one detector is arranged in the focal plane of the electron lens as a microchannel plate, wherein even more advantageously the detector or detectors are arranged in the container transversely to the optical axis after the three cylindrical elements.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn vor den Detektoren Gitter angeordnet sind, die vorteilhafterweise auch in dem Behälter und/oder vorteilhafterweise auch in der Brennebene der Elektronenlinse angeordnet sind. It is also advantageous if grids are arranged in front of the detectors, which are advantageously also arranged in the container and / or advantageously also in the focal plane of the electron lens.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn die Elektronenlinse und/oder der Detektor in der Brennebene der Elektronenlinse durch Anlegen einer Spannung hinsichtlich der Detektierbarkeit der kinetischen Energie der zu fokussierenden und detektierenden Elektronen veränderbar ausgebildet sind. It is likewise advantageous if the electron lens and / or the detector are designed to be variable in the focal plane of the electron lens by applying a voltage with regard to the detectability of the kinetic energy of the electrons to be focused and detected.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur impulsauflösenden Photoelektronenspektroskopie werden Elektronen von einer Elektronenaussendeprobe herausgelöst und durch ein Fokussierungssystem hindurchgeleitet, wobei durch das Fokussierungssystem ein elektrisches Feld generiert wird, durch welches die Fokussierung von Elektronen ab einer gewünschten kinetischer Energie bis zur Fermi-Energie in einer einer bestimmten kinetischen Energie zugeordneten Brennebene des Fokussierungssystems realisiert wird, und wobei alle Elektronen mit dieser gewünschten kinetischen Energie und einem im Wesentlichen gleichen Impuls, also im Wesentlichen gleicher Austrittsrichtung aus der Elektronenaussendeprobe, in im Wesentlichen einem Punkt an einem Detektor in der Brennebene des Fokussierungssystems fokussiert und detektiert werden. In the method according to the invention for pulse-resolving photoelectron spectroscopy, electrons are released from an electron emission sample and passed through a focusing system, wherein an electric field is generated by the focusing system, by which the focusing of electrons from a desired kinetic energy to Fermi energy in a certain kinetic Energy associated focal plane of the focusing system is realized, and wherein all electrons with this desired kinetic energy and a substantially same momentum, that is substantially the same Exit direction from the electron emission sample, focused and detected at substantially one point on a detector in the focal plane of the focusing system.
Vorteilhafterweise werden von der Elektronenaussendeprobe mittels Photonenstrahl in Form von Synchrotronstrahlung, Laserstrahlung oder Strahlung von anderen Strahlungsquellen, wie einer Fleliumlampe, Elektronen von der Oberfläche herausgelöst werden, wobei noch vorteilhafterweise der Photonenstrahl ein monochromatischer Photonenstrahl ist. Advantageously, electrons will be released from the surface of the electron emission sample by means of photon beam in the form of synchrotron radiation, laser radiation or radiation from other radiation sources, such as a flamelamp, wherein advantageously still the photon beam is a monochromatic photon beam.
Ebenfalls vorteilhafterweise werden ausschließlich Elektronen mit im Wesentlichen Fermi-Energie durch das Fokussierungssystem fokussiert und detektiert. Also advantageously, only electrons with substantially Fermi energy are focused and detected by the focusing system.
Weiterhin vorteilhafterweise wird durch Anlegen einer veränderten elektrischen Spannung an die Elektronenlinse und/oder den Detektor in der Brennebene des Fokussierungssystems die gewünschte kinetischen Energie bis Fermi-Energie der zu fokussierenden Elektronen einstellgestellt. Further advantageously, by applying an altered electrical voltage to the electron lens and / or the detector in the focal plane of the focusing system, the desired kinetic energy is set to Fermi energy of the electrons to be focused.
Und auch vorteilhafterweise werden durch das Fokussierungssystem im Wesentlichen alle Elektronen, die eine kinetische Energie unterhalb der gewünschten kinetischen Energie der zu detektierenden Elektronen aufweisen, vor dem Detektor gebremst und somit nicht detektiert. And also advantageously, substantially all electrons which have a kinetic energy below the desired kinetic energy of the electrons to be detected are braked by the focusing system in front of the detector and thus not detected.
Von Vorteil ist es auch, wenn durch das Fokussierungssystem im Wesentlichen alle Elektronen, die die gewünschte kinetische Energie bis zur Fermi-Energie der zu detektierenden Elektronen aufweisen, vor dem Detektor beschleunigt und detektiert werden, wobei noch vorteilhafterweise die Beschleunigung der zu detektierenden Elektronen mit der gewünschten kinetischen Energie bis Fermi-Energie mittels Gittern vor dem Detektor in der Brennebene der Elektronenlinse realisiert wird. It is also advantageous if substantially all of the electrons which have the desired kinetic energy up to the Fermi energy of the electrons to be detected are accelerated and detected by the focusing system in front of the detector, wherein advantageously the acceleration of the electrons to be detected with the desired kinetic energy until Fermi energy is realized by means of gratings in front of the detector in the focal plane of the electron lens.
Weiherhin ist es von Vorteil, wenn zur Ermittlung der Impulsverteilung von Elektronen bei einer gewünschten kinetischen Energie unterhalb der Fermi-Energie, die Fokussierung von Elektronen mit der gewünschten kinetischen Energie bis Fermi- Energie realisiert und die Impulsverteilung ermittelt wird und nachfolgend die Fokussierung von Elektronen mit höherer kinetischer Energie bis zur Fermi-Energie realisiert und die Impulsverteilung ermittelt wird, und nachfolgend die Impulsverteilung bei höherer Energie von der Impulsverteilung bei der gewünschten kinetischen Energie abgezogen wird. Weiherhin, it is advantageous if the determination of the momentum distribution of electrons at a desired kinetic energy below the Fermi energy, the focusing of electrons with the desired kinetic energy to Fermi energy realized and the pulse distribution is determined and subsequently the Focusing of electrons with higher kinetic energy to Fermi energy realized and the pulse distribution is determined, and then the pulse distribution at higher energy is subtracted from the momentum distribution at the desired kinetic energy.
Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn die Impulsverteilung der ausgesandten Elektronen in Abhängigkeit von ihrer kinetischen Energie als bildliche Darstellung ermittelt wird. It is also advantageous if the momentum distribution of the emitted electrons is determined as a function of their kinetic energy as a pictorial representation.
Und auch von Vorteil ist es, wenn aus den ermittelten Werten der Impulsverteilung der ausgesandten Elektronen in Abhängigkeit von ihrer Energie Aussagen über die physikalischen Eigenschaften der Elektronenaussendeprobe abgeleitet werden. And it is also of advantage if statements about the physical properties of the electron emission sample are derived from the determined values of the momentum distribution of the emitted electrons as a function of their energy.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es erstmals möglich, ein impulsauflösendes Photoelektronenspektrometer anzugeben, mit dem ein einfacher Aufbau der Vorrichtungsbauelemente mit deutlich verringertem Bauvolumen realisiert wird und die Ermittlung der Verteilung des Impulses von Photoelektronen bei einer bestimmten kinetischen Energie mit einem Verfahren zur impulsauflösenden Photoelektronenspektroskopie deutlich einfacher und effizienter realisiert wird. With the solution according to the invention, it is possible for the first time to provide a pulse-resolving photoelectron spectrometer with which a simple construction of the device components is realized with significantly reduced volume and the determination of the distribution of the pulse of photoelectrons at a certain kinetic energy with a method for pulse-resolution photoelectron spectroscopy significantly easier and realized more efficiently.
Erreicht wird dies mit einem impulsauflösenden Photoelektronenspektrometer, welches in Richtung der optischen Achse hintereinander mindestens in einem Vakuum angeordnete Bauelemente, die jeweils mindestens eine Elektronenaussendeprobe und ein Fokussierungssystem mit einer Elektronenlinse und einem Detektor sind, aufweist. This is achieved with a pulse-resolving photoelectron spectrometer, which in the direction of the optical axis one behind the other at least arranged in a vacuum components, each of which is at least one electron emission and a focusing system with an electron lens and a detector comprises.
Eine aufwändige Halbkugelanordnung mit Eintrittsspalt ist nicht erforderlich.  An elaborate hemisphere arrangement with entrance slit is not required.
Alle diese erforderlichen Bauelemente sind mindestens in einem Vakuum angeordnet, wobei dies vorteilhafterweise in einer Kammer erfolgt und das Vakuum vorteilhafterweise ein Hochvakuum oder Ultrahochvakuum ist. Ein Ultrahochvakuum soll erfindungsgemäß im Bereich von 107 bis 10 10 hPa vorhanden sein. Die Elektronenaussendeprobe besteht dabei mindestens teilweise und im Bereich des Auftreffens des Photonenstrahles zum Herauslösen von Elektronen aus dem zu untersuchenden Material. All of these required components are arranged at least in a vacuum, this advantageously takes place in a chamber and the vacuum is advantageously a high vacuum or ultrahigh vacuum. According to the invention, an ultra-high vacuum should be present in the range from 10 7 to 10 10 hPa. The electron emission sample consists at least partially and in the region of the impact of the photon beam for the extraction of electrons from the material to be examined.
Weiter ist erfindungsgemäß ein Fokussierungssystem vorhanden, welches aus einer Elektronenlinse und einem Detektor besteht. Further, according to the invention, there is a focusing system which consists of an electron lens and a detector.
Mit der erfindungsgemäßen Elektronenlinse werden Elektronen mit jeweils im Wesentlichen gleicher kinetischer Energie und von diesen Elektronen diejenigen, die die Elektronenaussendeprobe mit im Wesentlichen gleicher Austrittsrichtung verlassen haben, in im Wesentlichen einem Punkt in der jeweiligen Brennebene der Elektronenlinse fokussiert, die der gewünschten kinetischen Energie entspricht. Dabei befindet sich der Detektor jeweils in dieser Brennebene.  With the electron lens according to the invention, electrons each having essentially the same kinetic energy and of these electrons focusing those which have left the electron emission specimen in essentially the same exit direction are focused at substantially one point in the respective focal plane of the electron lens, which corresponds to the desired kinetic energy. The detector is in each case in this focal plane.
Zur Fokussierung und Detektierung von Elektronen mit einer bestimmten kinetischen Energie E1 und gleicher Austrittrichtung wird durch das Fokussierungssystem ein elektrisches Feld erzeugt, welches eine Brennebene für die kinetische Energie E1 generiert. Die Brennebenen schneiden die optische Achse und können in unterschiedlichen Abständen von der Elektronenaussendeprobe entlang der optischen Ache generiert werden. Der Detektor befindet sich dann in dieser Brennebene.  For focusing and detecting electrons with a specific kinetic energy E1 and the same exit direction, an electric field is generated by the focusing system, which generates a focal plane for the kinetic energy E1. The focal planes intersect the optical axis and can be generated at different distances from the electron emission sample along the optical axis. The detector is then in this focal plane.
Für die Fokussierung und Detektierung von Elektronen mit einer anderen bestimmten kinetischen Energie E2 und anderer, aber gleicher Austrittsrichtung befindet sich die durch das Fokussierungssystem generierte Brennebene in einem anderen Abstand von der Elektronenaussendeprobe entlang der optischen Achse.  For focussing and detecting electrons having a different kinetic energy E2 and other, but the same exit direction, the focal plane generated by the focusing system is at a different distance from the electron emission sample along the optical axis.
Die Elektronenlinse besteht dabei aus drei zylinderförmigen Elementen, die in Richtung der optischen Achse der erfindungsgemäßen Vorrichtung hintereinander und in einen Abstand voneinander angeordnet sind. Dabei weist der erste zylinderförmige Element ein Potential = 0 auf und die beiden nachfolgend angeordneten zylinderförmigen Elemente ein Potential von F 0, wobei diese beiden zylinderförmigen Elemente nicht das gleich Potential aufweisen. The electron lens consists of three cylindrical elements, which are arranged one behind the other and at a distance from one another in the direction of the optical axis of the device according to the invention. In this case, the first cylindrical element has a potential = 0 and the two subsequently arranged cylindrical elements have a potential of F 0, these two cylindrical elements not having the same potential.
Durch die zylinderförmigen Elemente wird ein Potentialfeld in ihrem Inneren erzeugt, welches die von der Elektronenaussendeprobe austretenden Elektronen fokussiert. Die Elektronen, die fokussiert werden sollen, weisen einerseits jeweils die gleiche kinetischen Energien ab einer gemeinsamen Untergrenze der kinetischen Energien und die jeweils gleichen Austrittsrichtungen aus der Elektronenaussendeprobe auf. Diese Elektronen werden alle in einem Punkt in den jeweiligen Brennebenen des Fokussierungssystems fokussiert. The cylindrical elements generate a potential field in their interior, which focuses the electrons emitted by the electron emission probe. On the one hand, the electrons which are to be focused each have the same kinetic energies from a common lower limit of the kinetic energies and the respectively same exit directions from the electron emission sample. These electrons are all focused at one point in the respective focal planes of the focusing system.
Von Bedeutung für die erfindungsgemäße Lösung ist, dass die von der Elektronenaussendeprobe emittierten Elektronen eine kinetische Energie aufweisen, die ihrer Energie im Kristall des Materials der Elektronenaussendeprobe entspricht. Of importance for the solution according to the invention is that the electrons emitted by the electron emission sample have a kinetic energy which corresponds to their energy in the crystal of the material of the electron emission sample.
Bekanntermaßen existiert eine höchste Energie von Elektronen, die sogenannte Fermi-Energie. Eine höhere Energie können Elektronen nicht aufweisen. Auch hier entspricht die kinetische Energie dieser Elektronen der Fermi-Energie im Kristall, und wird nachfolgend auch als Fermi-Energie bezeichnet. As is known, there is a maximum energy of electrons, the so-called Fermi energy. A higher energy can not have electrons. Again, the kinetic energy of these electrons corresponds to the Fermi energy in the crystal, and is also referred to below as Fermi energy.
Davon ausgehend, dass es eine höchste Energie der Elektronen und damit auch eine höchste kinetische Energie von Elektronen einer Elektronenaussendeprobe gibt, können immer nur Elektronen mit niedrigerer oder mit Fermi-Energie fokussiert und detektiert werden. Assuming that there is a maximum energy of the electrons and thus a highest kinetic energy of electrons of an electron emission sample, only electrons with lower or Fermi energy can be focused and detected.
Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass Elektronen mit unterschiedlichen kinetischen Energien und Austrittsrichtungen fokussiert und so eine Vielzahl an einzelnen Punkten in den jeweiligen Brennebenen detektiert werden können. The particular advantage of the device according to the invention is that electrons focus with different kinetic energies and exit directions and thus a plurality of individual points in the respective focal planes can be detected.
Von Bedeutung für die erfindungsgemäße Lösung ist, dass mit der Vorrichtung eine untere Grenze der zu detektierenden kinetischen Energie durch Einstellung des Potentialfeldes durch die Elektronenlinse und/oder den Detektor, und auch durch Einbau von Gittern innerhalb der Elektronenlinse und vor dem Detektor festgelegt werden kann. Elektronen mit kinetischen Energien unterhalb der gewünschten unteren Grenze werden gebremst und somit nicht detektiert. Alle Elektronen mit einer kinetischen Energie ab der gewünschten eingestellten unteren Grenze bis zu Elektronen mit Fermi-Energie können dann fokussiert und detektiert werden. Unter der Brennebene der Elektronenlinse soll im Rahmen dieser Erfindung verstanden werden, dass alle Elektronen, die die gleiche kinetische Energie aufweisen in der jeweiligen Brennebene, die durch das jeweilige Potentialfeld des Fokussierungssystems generiert wird, fokussiert werden. Alle Elektronen mit dieser kinetischen Energie, die die Elektronenaussendeprobe unter einem gleichen Winkel in x- und y-Richtung verlassen haben, werden dann in einem Punkt in dieser Ebene fokussiert. Elektronen mit dieser kinetischen Energie mit einem anderen, aber gleichen, Austrittswinkel werden dann in einem anderen Punkt in der Brennebene fokussiert. Alle von der Elektronenaussendeprobe austretenden Elektronen mit der gleichen kinetischen Energie sind dann an irgendeinem Punkt in dieser Brennebene fokussiert, so dass sich eine Brennebene aus vielen Brennpunkten ergibt. Of importance for the inventive solution is that with the device, a lower limit of the kinetic energy to be detected by adjusting the potential field by the electron lens and / or the detector, and also by incorporation of grids within the electron lens and in front of the detector can be determined. Electrons with kinetic energies below the desired lower limit are slowed down and thus not detected. All electrons with a kinetic energy from the desired set lower limit to electrons with Fermi energy can then be focused and detected. In the context of this invention, the focal plane of the electron lens should be understood to focus all electrons which have the same kinetic energy in the respective focal plane which is generated by the respective potential field of the focusing system. All electrons with this kinetic energy, which have left the electron emission sample at an equal angle in the x and y direction, are then focused at one point in this plane. Electrons with this kinetic energy with another, but equal, exit angle are then focused at another point in the focal plane. All of the electrons emanating from the electron emission sample with the same kinetic energy are then focused at some point in that focal plane so that one focal plane results in many focal points.
Vorteilhafterweise ist die Brennebene der Elektronenlinse nicht nur eine Ebene in einem zweidimensionalen Raum sondern kann eine Fläche in einem dreidimensionalen Raum sein, die beispielsweise gewölbt oder sphärisch ausgebildet ist oder innerhalb der Fläche ein- oder mehrfach Täler und Flöhen aufweisen kann. Advantageously, the focal plane of the electron lens is not only a plane in a two-dimensional space, but may be an area in a three-dimensional space that is curved or spherically shaped, for example, or may have valleys and fleas one or more times within the area.
Vorteilhafterweise kann die Elektronenlinse und der Detektor in einem Behälter innerhalb der Kammer angeordnet sein, wobei der Behälter eine Elektroneneintrittsöffnung aufweist, die vorteilhafterweise mit Element der Elektronenlinse ist. Advantageously, the electron lens and the detector can be arranged in a container within the chamber, wherein the container has an electron entrance opening, which is advantageously with element of the electron lens.
Die Fokussierung der Elektronen erfolgt durch ein elektrisches Feld, welches von den zylinderförmigen Elementen der Elektronenlinse und des Detektors mit unterschiedlichen Potentialen erzeugt wird. The focusing of the electrons is effected by an electric field, which is generated by the cylindrical elements of the electron lens and the detector with different potentials.
Die Elektronenlinse des Fokussierungssystems ist erfindungsgemäß eine Elektronenlinse, die aus drei zylinderförmigen Elementen besteht, die in Richtung der optischen Achse hintereinander angeordnet sind. The electron lens of the focusing system according to the invention is an electron lens, which consists of three cylindrical elements which are arranged one behind the other in the direction of the optical axis.
Der Detektor ist dabei ein oder mehrere ortsaufgelösten Detektoren, wobei alle Detektoren in der jeweiligen Brennebene der Elektronenlinse angeordnet sind. Die Detektoren können auf der optischen Achse der erfindungsgemäßen Vorrichtung in unterschiedlichen Abständen von der Elektronenaussendeprobe aus verschiebbar angeordnet sein, so dass diese Detektoren in mehreren Brennebenen nacheinander Elektronen detektieren können. Die Brennebenen können aber auch jeweils an der Position der Detektoren durch Änderung des elektrischen Feldes durch das Fokussierungssystem erzeugt werden. The detector is one or more spatially resolved detectors, all detectors being arranged in the respective focal plane of the electron lens. The detectors can be displaced on the optical axis of the device according to the invention at different distances from the electron emission sample be arranged so that these detectors can detect electrons in several focal planes successively. However, the focal planes can also be generated in each case at the position of the detectors by changing the electric field through the focusing system.
Vorteilhafterweise ist der mindestens eine Detektor in der Brennebene der Elektronenlinse als Mikrokanalplatte ausgebildet. Advantageously, the at least one detector in the focal plane of the electron lens is designed as a microchannel plate.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Fokussierungssystems ist, dass vor dem oder den Detektoren in Richtung der optischen Achse Gitter angeordnet sein können, die eine Beschleunigung der zu detektierenden Elektronen mit der gewünschten kinetischen Energie vor dem Detektor der Elektronenlinse realisieren, wodurch die Elektronen durch den Detektor besser detektierbar werden. Dazu kann die die Elektronen bremsende Spannung sowohl nur an dem Detektor oder nicht an den Detektor sondern an ein Gitter angelegt werden. Im letzteren Fall liegt zwischen Gitter und Detektoroberfläche eine andere Spannung an, die die hindurchkommenden Elektronen beschleunigt. In Falle des Einsatzes eines solchen Gitters vor dem Detektor wird das Gitter in der Brennebene der Elektronenlinse positioniert und der Detektor direkt dahinter, oft nur in einem Abstand von wenigen Zentimetern. A particular advantage of the focusing system according to the invention is that in front of the detector or detectors in the direction of the optical axis gratings can be arranged to realize an acceleration of the electron to be detected with the desired kinetic energy in front of the detector of the electron lens, whereby the electrons by the detector better become detectable. For this purpose, the electron-braking voltage can be applied both to the detector or not to the detector but to a grid. In the latter case, another voltage is present between the grating and the detector surface, which accelerates the passing electrons. In the case of the use of such a grid in front of the detector, the grid is positioned in the focal plane of the electron lens and the detector directly behind it, often only at a distance of a few centimeters.
Mit Hilfe des Fokussierungssystems ist weiter über das Anlegen einer veränderten elektrischen Spannung an den Behälter und/oder die Elektronenlinse und/oder den Detektor und über die Generierung einer Brennebene der Elektronenlinse die Untergrenze der kinetischen Energie der zu fokussierenden und detektierenden Elektronen einstellbar. With the aid of the focusing system, the lower limit of the kinetic energy of the electrons to be focused and detected can be adjusted further by applying an altered electrical voltage to the container and / or the electron lens and / or the detector and by generating a focal plane of the electron lens.
Es ist auch möglich, dass ein Analysator vorhanden ist, der einen Eintrittsspalt für von der Elektronenaussendeprobe ausgesandte und von dem Fokussierungssystem fokussierten Elektronen aufweist. Erfindungsgemäß ist dies aber nicht erforderlich. It is also possible for an analyzer to be present which has an entrance slit for electrons emitted by the electron emission specimen and focused by the focusing system. However, this is not required according to the invention.
Vorteilhafterweise kann die Elektronenlinse und der Detektor in der Brennebene der Elektronenlinse oder nur die Elektronenlinse durch Anlegen einer elektrischen Spannung hinsichtlich der Detektierbarkeit der kinetischen Energie der zu fokussierenden und detektierenden Elektronen und der Austrittswinkel der Elektronen aus der Elektronenaussendeprobe veränderbar ausgebildet sein. Advantageously, the electron lens and the detector in the focal plane of the electron lens or only the electron lens by applying an electrical voltage with respect to the detectable kinetic energy of focussing and detecting electrons and the exit angle of the electrons can be made changeable from the electron emission sample.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur impulsauflösenden Photoelektronenspektroskopie werden Elektronen von einer Elektronenaussendeprobe herausgelöst und durch ein Fokussierungssystem hindurchgeleitet, wobei durch das Fokussierungssystem ein elektrisches Feld generiert wird, durch welches die Fokussierung von Elektronen einer gewünschten kinetischer Energie in der für diese kinetische Energie generierte Brennebene der Elektronenlinse realisiert wird, und wobei alle Elektronen mit dieser gewünschten kinetischen Energie und einem im Wesentlichen gleichen Impuls, also im Wesentlichen gleichen Austrittsrichtung aus der Elektronenaussendeprobe, in im Wesentlichen einem Punkt an einem Detektor in der jeweiligen Brennebene der Elektronenlinse fokussiert und detektiert werden In the method according to the invention for pulse-resolving photoelectron spectroscopy, electrons are released from an electron emission sample and passed through a focusing system, whereby an electric field is generated by the focusing system, which realizes the focusing of electrons of a desired kinetic energy in the focal plane of the electron lens generated for this kinetic energy and wherein all the electrons with this desired kinetic energy and a substantially identical pulse, ie substantially the same exit direction from the electron emission specimen, are focused and detected at essentially one point on a detector in the respective focal plane of the electron lens
Mit dem Auftreffen der Elektronen auf den Detektor wird die Impulsverteilung der ausgesandten Elektronen ermittelt.. With the impact of the electrons on the detector, the momentum distribution of the emitted electrons is determined.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung soll unter dem Impuls von Elektronen verstanden werden, unter welcher Austrittrichtung, die durch das Winkelpaar in x- und y-Richtung oder den Polar- und Azimut-Winkel bestimmt wird, die Elektronen aus der Oberfläche des zu untersuchenden Materials der Elektronenaussendeprobe austreten. In the context of the present invention, the momentum of electrons is to be understood, under which exit direction, which is determined by the angle pair in the x and y direction or the polar and azimuthal angles, the electrons from the surface of the material to be investigated Exit the electron emission sample.
Im Gegensatz zur kinetischen Energie ist der Impuls eine vektorielle Größe und hat damit einen Betrag und eine Richtung. Die Richtung des Impulses ist die Bewegungsrichtung des Objekts. Der Betrag des Impulses ist das Produkt aus der Masse des Objekts und der Geschwindigkeit seines Massenmittelpunkts (siehe Wikipedia, Stichwort Impuls).  In contrast to kinetic energy, the momentum is a vectorial quantity and thus has an amount and a direction. The direction of the impulse is the direction of movement of the object. The amount of the impulse is the product of the mass of the object and the velocity of its center of mass (see Wikipedia, keyword impulse).
Dabei werden vorteilhafterweise von der Oberfläche der Elektronenaussendeprobe mittels Photonenstrahl in Form von Synchrotronstrahlung, Laserstrahlung oder mittels Strahlung von anderen Strahlungsquellen, wie einer Heliumlampe, Elektronen herausgelöst, die dann fokussiert und detektiert werden. Vorteilhafterweise ist der Photonenstrahl, mit dem die Elektronen aus der Elektronenaussendeprobe herausgelöst werden, monochromatisch. In this case, electrons are advantageously removed from the surface of the electron emission sample by means of photon beam in the form of synchrotron radiation, laser radiation or by means of radiation from other radiation sources, such as a helium lamp, which are then focused and detected. Advantageously, the Photon beam with which the electrons are released from the electron emission sample, monochromatic.
Als bestimmte gewünschte kinetische Energie ist insbesondere die Fermi-Energie der Elektronen von Bedeutung. Daher ist es besonders vorteilhaft, dass insbesondere ausschließlich Elektronen mit Wesentlichen Fermi-Energie mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung detektiert werden. Dies ist besonders wichtig, da im Wesentlichen für alle zu untersuchenden Elektronenaussendeproben die Impulsverteilung bei Fermi-Energie im Wesentlichen alle oder die wichtigsten Informationen zu den physikalischen Eigenschaften des Materials der Elektronenaussendeprobe enthält. As a particular desired kinetic energy in particular the Fermi energy of the electrons is important. Therefore, it is particularly advantageous that in particular only electrons with substantial Fermi energy are detected with the device according to the invention. This is particularly important, because essentially for all the electron emission samples to be studied, the Fermi energy momentum distribution contains essentially all or the most important information about the physical properties of the electron emission sample material.
Von besonderem Vorteil dabei ist, dass für die Ermittlung der Impulsverteilung bei Fermi-Energie nur eine Messung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erforderlich ist, da die untere gewünschte Grenze der kinetischen Energie gleichzeitig die höchstmögliche kinetische Energie ist.  Of particular advantage is that only one measurement with the device according to the invention is required for determining the impulse distribution at Fermi energy, since the lower desired limit of the kinetic energy is simultaneously the highest possible kinetic energy.
Zur Ermittlung der Impulsverteilung bei anderen kinetischen Energien als der Fermi- Energie der Elektronen ist die nachfolgende erfindungsgemäße Vorgehensweise zu realisieren. To determine the momentum distribution at kinetic energies other than the Fermi energy of the electrons, the following procedure according to the invention is to be implemented.
Es wird erfindungsgemäß die Impulsverteilung der ausgesandten Elektronen bei irgendeiner anderen, niedrigeren Energie als der Fermi-Energie detektiert.  It is inventively detected the pulse distribution of the emitted electrons at any other, lower energy than the Fermi energy.
Dies kann vorteilhafterweise durch Anlegen einer veränderten elektrischen Spannung an die Elektronenlinse und/oder den Detektor realisiert werden, indem die gewünschte Untergrenze der kinetischen Energie der zu fokussierenden Elektronen eingestellt wird. Dadurch werden alle Elektronen mit niedrigerer als gewünschter kinetischer Energie gebremst und gelangen nicht bis zum Detektor.  This can advantageously be realized by applying an altered electrical voltage to the electron lens and / or the detector by setting the desired lower limit of the kinetic energy of the electrons to be focused. As a result, all electrons are braked with lower than desired kinetic energy and do not reach the detector.
Danach wird die Impulsverteilung der ausgesandten Elektronen aus der Elektronenaussendeprobe bei einer Energie ermittelt, die geringfügig höher ist, als die als Untergrenze der kinetischen Energie festgesetzte Energie der ersten Messung.  Thereafter, the pulse distribution of the emitted electrons from the electron emission specimen is determined at an energy which is slightly higher than the energy of the first measurement set as the lower limit of the kinetic energy.
Nachfolgend wird die Impulsverteilung bei geringfügig höherer kinetischer Energie von der Impulsverteilung bei geringerer kinetischer Energie abgezogen. Durch den Unterschied der jeweils eingestellten kinetischen Energien, bei der die Messungen erfolgen, wird die Genauigkeit der Impulsverteilung bei der geringeren kinetischen Energie bestimmt. Subsequently, the momentum distribution at slightly higher kinetic energy is subtracted from the momentum distribution at lower kinetic energy. The difference in kinetic energies at which the measurements are made determines the accuracy of the momentum distribution at the lower kinetic energy.
Durch das erfindungsgemäße Fokussierungssystem können weiterhin vorteilhafterweise im Wesentlichen alle Elektronen, die nicht die gewünschte kinetische Energie der zu detektierenden Elektronen aufweisen, vor dem Detektor gebremst werden und müssen somit nicht detektiert werden. Durch diese Lösung wird quasi die Wirkung eines Tiefpassfilters erreicht. By means of the focusing system according to the invention, furthermore, advantageously substantially all electrons which do not have the desired kinetic energy of the electrons to be detected can be braked in front of the detector and thus do not have to be detected. This solution virtually achieves the effect of a low-pass filter.
Andererseits können aber auch vorteilhafterweise durch das erfindungsgemäße Fokussierungssystem im Wesentlichen alle Elektronen, die die gewünschte kinetische Energie der zu detektierenden Elektronen bis Fermi-Energie aufweisen, vor dem Detektor beschleunigt und effektiver detektiert werden. On the other hand, however, essentially all electrons which have the desired kinetic energy of the electrons to be detected up to Fermi energy can also be accelerated and detected more effectively in front of the detector by means of the focusing system according to the invention.
Dies kann beispielsweise mittels Gittern realisiert werden.  This can be realized for example by means of gratings.
Weiterhin ist es ein Vorteil der vorliegenden erfindungsgemäßen Lösung, dass die Impulsverteilung der ausgesandten Elektronen in Abhängigkeit von ihrer Energie als bildliche Darstellung realisiert werden kann. Furthermore, it is an advantage of the present inventive solution that the momentum distribution of the emitted electrons can be realized as a function of their energy as a pictorial representation.
Mit dem erfindungsgemäßen Photoelektronenspektrometer kann das erfindungsgemäße Verfahren zur impulsauflösenden Photoelektronenspektroskopie realisiert werden. With the photoelectron spectrometer according to the invention, the method according to the invention for pulse-resolving photoelectron spectroscopy can be realized.
Von Vorteil ist, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem erfindungsgemäßen impulsauflösendes Photoelektronenspektrometer teure und aufwändige Bauelemente eingespart werden können, wie zum Beispiel Gitter oder hemisphärische Analysatoren. Ebenso kann mit konventionellen Lichtquellen gearbeitet werden. It is advantageous that the inventive method and the pulse-resolving photoelectron spectrometer expensive and expensive components can be saved, such as grids or hemispherical analyzers. It is also possible to work with conventional light sources.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung sind gute bis sehr gute Impulsauflösungen bei gewünschten kinetischen Energien der Elektronen ermittelbar. Die Impulsauflösung ist ein Maß für die Genauigkeit der Impulsverteilung. Die Signale sind gleichzeitig von einem großen Teil des zu detektierenden Raumes (Impulsraum) in einem Raumwinkel bis zu 30° erhältlich, was sonst nur mit ToF und Display-Typ- Analysatoren möglich ist. Die Impulsverteilung wird weiterhin mit der erfindungsgemäßen Lösung fast direkt auf dem Detektor in der Brennebene der Elektronenlinsen abgebildet, ohne dass es notwendig ist, sie aus der Winkelverteilung neu zu berechnen. With the solution according to the invention good to very good pulse resolutions at desired kinetic energies of the electrons can be determined. The pulse resolution is a measure of the accuracy of the pulse distribution. The signals are simultaneously available from a large part of the room to be detected (pulse space) in a solid angle of up to 30 °, which is otherwise only possible with ToF and display type analyzers. The pulse distribution is further imaged with the solution according to the invention almost directly on the detector in the focal plane of the electron lenses, without it being necessary to recalculate them from the angular distribution.
Der wesentliche Unterschied der erfindungsgemäßen Lösung zu den Lösungen des Standes der Technik besteht insbesondere darin, dass nicht Elektronen bei verschiedenen kinetischen Energien, die unter nur einer bestimmten Austrittsrichtung aus der Elektronenaussendeprobe austreten, detektiert werden, sondern dass Elektronen mit einer bestimmten gewünschten kinetischen Energie unter jeder Austrittrichtung (also Impuls) fokussiert und detektiert werden. The essential difference of the solution according to the invention with the solutions of the prior art is in particular that electrons are not detected at different kinetic energies, which emerge from the electron emission probe under only one specific exit direction, but that electrons with a certain desired kinetic energy below each Outlet direction (ie pulse) focused and detected.
Damit kann mit im Wesentlichen zwei Messungen die Impulsverteilung bei einer bestimmten, gewünschten kinetischen Energie von Elektronen einer Elektronenaussendeprobe ermittelt und sofort auf die physikalischen Eigenschaften der Elektronenaussendeprobe geschlossen werden. In this way, the pulse distribution at a specific, desired kinetic energy of electrons of an electron emission sample can be determined with essentially two measurements, and the physical properties of the electron emission sample can be immediately deduced.
Im Falle der Messung bei Fermi-Energie der Elektronen ist nur eine Messung erforderlich, da es keine Elektronen im Kristall eines Materials gibt, die eine höhere kinetische Energie als Fermi-Energie aufweisen.  In the case of measurement at Fermi energy of the electrons, only one measurement is required because there are no electrons in the crystal of a material that have higher kinetic energy than Fermi energy.
Die Impulsverteilung bei einer gewünschten Energie der Elektronen mit den Lösungen des Standes der Technik kann nur durch eine deutlich höhere Anzahl an Messungen und/oder mit einem deutlich höheren apparativen Aufwand ermittelt werden. The pulse distribution at a desired energy of the electrons with the solutions of the prior art can only be determined by a significantly higher number of measurements and / or with a significantly higher expenditure on equipment.
Aus diesem Grund und aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung der Bauelemente und ihr Zusammenwirken bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es auch nicht notwendig, dass die Elektronenaussendeprobe während der Detektion bewegt und/oder gedreht werden muss. Gleichzeitig wird durch die erfindungsgemäße Lösung eine höhere Transmission von Elektronen und damit eine höhere Intensität der Elektronen am Detektor erreicht, was zu einer höheren Informationsrate für die Auswertung der ermittelten Daten führt. Ebenfalls wird, zusammen mit einem größeren Akzeptanzwinkel des erfindungsgemäßen impulsauflösenden Photoelektronenspektrometers, die Datenerfassung an dem oder den Detektoren deutlich schneller, so dass auch dadurch mehr Informationen aus der Elektronenaussendeprobe gesammelt werden können. For this reason and due to the arrangement of the components according to the invention and their interaction in the application of the method according to the invention, it is also not necessary for the electron emission sample to be moved and / or rotated during the detection. At the same time, the solution according to the invention achieves a higher transmission of electrons and thus a higher intensity of the electrons at the detector, which leads to a higher information rate for the evaluation of the determined data. Likewise, together with a larger acceptance angle of the pulse-resolving photoelectron spectrometer according to the invention, the data acquisition at the detector or detectors becomes significantly faster, so that more information can also be collected from the electron emission sample.
Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. The invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment.
Beispiel 1 example 1
In einer Vakuumkammer, welche auf ein Vakuum von 10 10 hPa evakuierbar ist, sind eine Elektronenaussendeprobe und das Fokussierungssystem in Richtung der optischen Achse, ausgehend von der Elektronenaussendeprobe, hintereinander angeordnet. In a vacuum chamber, which can be evacuated to a vacuum of 10 10 hPa, an electron emission probe and the focusing system in the direction of the optical axis, starting from the electron emission sample, are arranged one behind the other.
Die Elektronenaussendeprobe besteht aus TaSe2 und hat die folgende Abmessungen: 1 mm Oberflächendurchmesser und 0.2 mm Höhe. The electron emission sample consists of TaSe2 and has the following dimensions: 1 mm surface diameter and 0.2 mm height.
Das Fokussierungssystem besteht aus einer Elektronenlinse und einem Detektor. The focusing system consists of an electron lens and a detector.
Die Elektronenlinse besteht aus einem zylinderförmigen Behälter mit 108 mm Länge und einem Durchmesser von 140 mm und einer zylinderförmigen Eintrittsöffnung von 30 mm Durchmesser und 15 mm Länge. The electron lens consists of a cylindrical container with a length of 108 mm and a diameter of 140 mm and a cylindrical inlet opening of 30 mm diameter and 15 mm length.
In dem Behälter sind zwei zylinderförmige Elemente, jeweils mit einem Radius von 49 mm und einer Länge des ersten Zylinders von 35 mm und des zweiten Zylinders von 42 mm Länge mit 5 mm Abstand hintereinander in Richtung der optischen Achse angeordnet. Das zylinderförmige Element neben der Eintrittsöffnung des Behälters befindet sich in einem Abstand von 11 mm von der Innenkante der zylinderförmigen Eintrittsöffnung entfernt. Diese beiden zylinderförmigen Elemente und die zylinderförmige Eintrittsöffnung des Behälters bilden zusammen die Elektronenlinse. In the container, two cylindrical members each having a radius of 49 mm and a length of the first cylinder of 35 mm and the second cylinder of 42 mm in length are arranged at a distance of 5 mm in the direction of the optical axis. The cylindrical element adjacent to the inlet opening of the container is located at a distance of 11 mm from the inner edge of the cylindrical inlet opening. These two cylindrical elements and the cylindrical inlet opening of the container together form the electron lens.
Die Probe ist von der Behälteröffnung 28 mm entfernt angeordnet.  The sample is located 28 mm away from the container opening.
Der Detektor ist eine kreisförmige Mikrokanalplatte von 75 mm Durchmesser, die in einem Abstand von 130 mm von der Probe, also noch innerhalb des zweiten zylinderförmigen Elements quer zur optischen Achse in dem Behälter angeordnet ist, und die mit einem dahinter angeordneten Phosphorschirm gekoppelt ist (Standartdesign, so genannte MCP-Assembly oder MCP-Montage). The detector is a circular microchannel plate of 75 mm diameter, which is arranged at a distance of 130 mm from the sample, that is still within the second cylindrical element transverse to the optical axis in the container, and which is coupled to a phosphor screen arranged behind it (standard design , so-called MCP assembly or MCP assembly).
Die Elektronen werden von der Probenoberfläche durch die Strahlung der He-Lampe mit einer Photonenenergie von 21 ,2 eV emittiert. Wegen der Austrittsarbeit von etwa 4,2 eV des TaSe2 haben die Elektronen die höchste kinetische Energie von ~ 17 eV, in Abhängigkeit von der Temperatur der Probe. Diese Energie ist die Fermi-Energie und die entsprechende Impulsverteilung ist die sogenannte Fermi-Fläche. Um die Fermi-Fläche von TaSe2 aufzunehmen, werden die folgenden Spannungen an die fokussierenden Elemente angelegt: The electrons are emitted from the sample surface by the radiation of the He lamp with a photon energy of 21, 2 eV. Because of the work function of about 4.2 eV of TaSe2, the electrons have the highest kinetic energy of ~ 17 eV, depending on the temperature of the sample. This energy is the Fermi energy and the corresponding momentum distribution is the so-called Fermi surface. To record the Fermi surface of TaSe2, the following voltages are applied to the focusing elements:
Behälter VG = 0 V; Container V G = 0 V;
erster Zylinder Vi = -16,8 V; first cylinder Vi = -16.8 V;
zweiter Zylinder V2 = -16,65 V; second cylinder V 2 = -16.65 V;
Detektorfläche VD = -17 V. Detector surface V D = -17 V.
Mit diesen Einstellungen werden alle Elektronen mit Energien von weniger als 17 eV gebremst und erreichen den Detektor nicht. Diejenigen, die Fermi-Energie aufweisen, werden durch die Elektronenlinse in der Brennebene fokussiert und treffen auf die Oberfläche der Mikrokanalplatte. Dabei werden alle Elektronen mit Fermi-Energie, die die Oberfläche der Probe verlassen haben, fokussiert, wobei alle Elektronen mit gleicher Austrittsrichtung, also gleichem Impuls, auf einen bestimmten Punkt auf der Detektoroberfläche fokussiert werden. With these settings, all electrons with energies of less than 17 eV are decelerated and do not reach the detector. Those having Fermi energy are focused by the electron lens in the focal plane and strike the surface of the microchannel plate. All electrons are focused with Fermi energy, which has left the surface of the sample, all electrons with the same exit direction, ie the same momentum, are focused on a certain point on the detector surface.
Da der Impuls der Elektronen durch diese Austrittsrichtung bei der Fermi-Energie definiert ist, entspricht die Intensitätsverteilung an der Oberfläche des Detektors (MCP) direkt der Fermi-Impulsverteilung oder der Fermi-Fläche von TaSe2. Diese Intensitätsverteilung wird durch den Detektor (MCP) verstärkt und ist auf dem gekoppelten Phosphorschirm sichtbar. Es kann von der CCD-Kamera von außerhalb der Vakuumkamera durch den Fensterflansch aufgenommen werden. Since the momentum of the electrons is defined by this exit direction at the Fermi energy, the intensity distribution at the surface of the detector (MCP) corresponds directly to the Fermi momentum distribution or the Fermi area of TaSe2. This intensity distribution is amplified by the detector (MCP) and is on the coupled phosphor screen visible. It can be picked up by the CCD camera from outside the vacuum camera through the window flange.
Beispiel 2 Example 2
Um die Impulsverteilung der Elektronen mit Energien unter der Fermi-Energie (z. B. 16,98 eV) aufzuzeichnen, werden alle negative Spannungen proportional reduziert (VG = 0 V, Vi=-16,78 V, V2=-16,63 V, VD=-16,98 V). To record the momentum distribution of the electrons with energies below the Fermi energy (eg, 16.98 eV), all negative voltages are proportionally reduced (V G = 0V, Vi = -16.78V, V 2 = -16 , 63 V, V D = -16.98 V).
In diesem Fall erreichen alle Elektronen mit einer Energie von16,98 eV und höher bis zur Fermi-Energie den Detektor. Zur Ermittlung der Impulsverteilung bei 16,98 eV wird dann die Impulsverteilung bei Fermi-Energie der Elektronen der gleichen Probe abgezogen, um die gewünschte Impulsverteilung der Elektronen mit einer kinetischen Energie von 16,8 eV zu erhalten.  In this case, all electrons with an energy of 16.98 eV and higher to Fermi energy reach the detector. To determine the momentum distribution at 16.98 eV, the momentum distribution at Fermi energy of the electrons of the same sample is subtracted to obtain the desired momentum distribution of the electrons with a kinetic energy of 16.8 eV.

Claims

Patentansprüche claims
1. Impulsauflösendes Photoelektronenspektrometer, enthaltend in Richtung der optischen Achse hintereinander mindestens in einem Vakuum angeordnete Bauelemente, die jeweils mindestens eine Elektronenaussendeprobe und ein Fokussierungssystem sind, wobei das Fokussierungssystem aus mindestens einer Elektronenlinse und mindestens einen Detektor besteht, wobei die Elektronenlinse aus drei zylinderförmigen Elementen besteht, die in Richtung der optischen Achse hintereinander und in einen Abstand voneinander angeordnet sind, wobei das erste zylinderförmige Element ein Potential = 0 aufweist und die beiden nachfolgend angeordneten zylinderförmigen Elemente ein Potential von F 0 aufweisen, wobei diese beiden zylinderförmigen Elemente nicht das gleich Potential aufweisen, und wobei durch das Fokussierungssystem Elektronen mit jeweils im Wesentlichen gleicher kinetischer Energie fokussiert und detektiert und von diesen Elektronen diejenigen, die die Elektronenaussendeprobe mit dem gleichen Impuls verlassen haben, in im Wesentlichen einem Punkt in der Brennebene des Fokussierungssystems für diese gleiche kinetische Energie fokussiert sind, und wobei der Detektor ein oder mehrere ortsaufgelösten Detektoren sind, die in der Brennebene des Fokussierungssystems angeordnet sind, und wobei bei dem Fokussierungssystem über Anlegen einer veränderten elektrischen Spannung an den zylinderförmigen Elementen der Elektronenlinse und/oder dem Detektor eine Untergrenze der kinetischen Energie bis Fermi-Energie der zu fokussierenden und detektierenden Elektronen einstellbar ist. 1. Pulse-resolving photoelectron spectrometer, comprising in the direction of the optical axis successively at least in a vacuum arranged components, each of which is at least one electron emission and a focusing system, wherein the focusing system consists of at least one electron lens and at least one detector, wherein the electron lens consists of three cylindrical elements which are arranged one behind the other in the direction of the optical axis and at a distance from each other, wherein the first cylindrical element has a potential = 0 and the two subsequently arranged cylindrical elements have a potential of F 0, wherein these two cylindrical elements do not have the same potential , and focusing and detecting electrons each having substantially the same kinetic energy through the focusing system, and of those electrons, those which emit the electron emission sample with the same I are focused at substantially one point in the focal plane of the focusing system for this same kinetic energy, and wherein the detector are one or more spatially resolved detectors disposed in the focal plane of the focusing system, and wherein in the focusing system changed electrical voltage to the cylindrical elements of the electron lens and / or the detector, a lower limit of the kinetic energy to Fermi energy of the electron to be focused and detected is adjustable.
2. Impulsauflösendes Photoelektronenspektrometer nach Anspruch 1 , bei dem die Bauelemente in einer Kammer angeordnet sind, in welchem mindestens während der Messungen Flochvakuum oder Ultrahochvakuum vorhanden ist. 2. Pulse-resolving photoelectron spectrometer according to claim 1, wherein the components are arranged in a chamber in which, at least during the measurements, floc vacuum or ultra-high vacuum is present.
3. Impulsauflösendes Photoelektronenspektrometer nach Anspruch 1 , bei dem die Elektronenaussendeprobe aus dem zu untersuchenden Material besteht. 3. Pulse-resolving photoelectron spectrometer according to claim 1, wherein the electron emission sample consists of the material to be examined.
4. Impulsauflösendes Photoelektronenspektrometer nach Anspruch 1 , bei dem die Elektronenlinse des Fokussierungssystems ein elektrisches Feld generiert, durch welches eine Brennebene für eine bestimmte kinetische Energie von Elektronen generiert wird, in der die Fokussierung der Elektronen mit dieser bestimmten un gleichen kinetischen Energie und mit gleichem Impuls realisiert ist. 4. Pulse-resolving photoelectron spectrometer according to claim 1, wherein the electron lens of the focusing system generates an electric field through which a focal plane for a specific kinetic energy of electrons is generated, in which the focusing of the electrons is realized with this particular un equal kinetic energy and with the same momentum.
5. Impulsauflösendes Photoelektronenspektrometer nach Anspruch 1 , bei dem die Elektronenlinse des Fokussierungssystems aus einem Behälter besteht, der eine zylinderförmige Eintrittsöffnung aufweist und innerhalb dessen zwei weitere zylinderförmige Elemente hintereinander angeordnet sind. 5. Pulse-resolving photoelectron spectrometer according to claim 1, wherein the electron lens of the focusing system consists of a container having a cylindrical inlet opening and within which two further cylindrical elements are arranged one behind the other.
6. Impulsauflösendes Photoelektronenspektrometer nach Anspruch 1 , bei dem der mindestens eine Detektor in der Brennebene der Elektronenlinse als Mikrokanalplatte angeordnet ist. 6. Pulse-resolving photoelectron spectrometer according to claim 1, wherein the at least one detector is arranged in the focal plane of the electron lens as a microchannel plate.
7. Impulsauflösendes Photoelektronenspektrometer nach Anspruch 6, bei dem der oder die Detektoren in dem Behälter quer zur optischen Achse nach den drei zylinderförmigen Elementen angeordnet sind. 7. Pulse-resolving photoelectron spectrometer according to claim 6, wherein the detector or detectors are arranged in the container transversely to the optical axis after the three cylindrical elements.
8. Impulsauflösendes Photoelektronenspektrometer nach Anspruch 1 , bei dem vor den Detektoren Gitter angeordnet sind, die vorteilhafterweise auch in dem Behälter und/oder vorteilhafterweise auch in der Brennebene der Elektronenlinse angeordnet sind. 8. Pulse-resolving photoelectron spectrometer according to claim 1, wherein in front of the detectors gratings are arranged, which are advantageously arranged in the container and / or advantageously also in the focal plane of the electron lens.
9. Impulsauflösendes Photoelektronenspektrometer nach Anspruch 1 , bei dem die Elektronenlinse und/oder der Detektor in der Brennebene der Elektronenlinse durch Anlegen einer Spannung hinsichtlich der Detektierbarkeit der kinetischen Energie der zu fokussierenden und detektierenden Elektronen veränderbar ausgebildet sind. 9. Pulse-resolving photoelectron spectrometer according to claim 1, wherein the electron lens and / or the detector in the focal plane of the electron lens are formed changeable by applying a voltage with respect to the detectability of the kinetic energy of the electrons to be focused and detected.
10. Verfahren zur impulsauflösenden Photoelektronenspektroskopie, bei dem Elektronen von einer Elektronenaussendeprobe herausgelöst und durch ein Fokussierungssystem hindurchgeleitet werden, wobei durch das Fokussierungssystem ein elektrisches Feld generiert wird, durch welches die Fokussierung von Elektronen ab einer gewünschten kinetischer Energie bis zur Fermi-Energie in einer einer bestimmten kinetischen Energie zugeordneten Brennebene des Fokussierungssystems realisiert wird, und wobei alle Elektronen mit dieser gewünschten kinetischen Energie und einem im Wesentlichen gleichen Impuls, also im Wesentlichen gleicher Austrittsrichtung aus der Elektronenaussendeprobe, in im Wesentlichen einem Punkt an einem Detektor in der Brennebene des Fokussierungssystems fokussiert und detektiert werden. 10. A method for pulse-resolving photoelectron spectroscopy in which electrons are removed from an electron emission sample and passed through a focusing system, wherein by the focusing system, an electric field is generated, by which the focusing of electrons from a desired kinetic energy to Fermi energy in one of a realizing the particular kinetic energy associated focal plane of the focusing system, and wherein all the electrons with this desired kinetic energy and a substantially same Pulse, so substantially the same direction of exit from the electron emission, are focused and detected in substantially one point on a detector in the focal plane of the focusing system.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem von der Elektronenaussendeprobe mittels Photonenstrahl in Form von Synchrotronstrahlung, Laserstrahlung oder Strahlung von anderen Strahlungsquellen, wie einer Heliumlampe, Elektronen von der Oberfläche herausgelöst werden, wobei noch vorteilhafterweise der Photonenstrahl ein monochromatischer Photonenstrahl ist. 11. The method of claim 10, wherein the electron emission probe by means of photon beam in the form of synchrotron radiation, laser radiation or radiation from other radiation sources, such as a helium lamp, electrons are removed from the surface, wherein still advantageously the photon beam is a monochromatic photon beam.
12. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem ausschließlich Elektronen mit im Wesentlichen Fermi-Energie durch das Fokussierungssystem fokussiert und detektiert werden. The method of claim 10, wherein only electrons with substantially Fermi energy are focused and detected by the focusing system.
13. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem durch Anlegen einer veränderten elektrischen Spannung an die Elektronenlinse und/oder den Detektor in der Brennebene des Fokussierungssystems die gewünschte kinetischen Energie bis Fermi-Energie der zu fokussierenden Elektronen einstellgestellt wird. 13. The method of claim 10, wherein the desired kinetic energy to Fermi energy of the electron to be focused is adjusted by applying a modified voltage to the electron lens and / or the detector in the focal plane of the focusing system.
14. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem durch das Fokussierungssystem im Wesentlichen alle Elektronen, die eine kinetische Energie unterhalb der gewünschten kinetischen Energie der zu detektierenden Elektronen aufweisen, vor dem Detektor gebremst und somit nicht detektiert werden. 14. The method of claim 10, wherein substantially all the electrons, which have a kinetic energy below the desired kinetic energy of the electrons to be detected, are braked before the detector and thus not detected by the focusing system.
15. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem durch das Fokussierungssystem im Wesentlichen alle Elektronen, die die gewünschte kinetische Energie bis zur Fermi- Energie der zu detektierenden Elektronen aufweisen, vor dem Detektor beschleunigt und detektiert werden. 15. The method of claim 10, wherein substantially all of the electrons having the desired kinetic energy to the Fermi energy of the electrons to be detected are accelerated and detected by the focusing system in front of the detector.
16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem die Beschleunigung der zu detektierenden Elektronen mit der gewünschten kinetischen Energie bis Fermi-Energie mittels Gittern vor dem Detektor in der Brennebene der Elektronenlinse realisiert wird. 16. The method of claim 15, wherein the acceleration of the electron to be detected with the desired kinetic energy to Fermi energy is realized by means of gratings in front of the detector in the focal plane of the electron lens.
17. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem zur Ermittlung der Impulsverteilung von Elektronen bei einer gewünschten kinetischen Energie unterhalb der Fermi-Energie, die Fokussierung von Elektronen mit der gewünschten kinetischen Energie bis Fermi- Energie realisiert und die Impulsverteilung ermittelt wird und nachfolgend die Fokussierung von Elektronen mit höherer kinetischer Energie bis zur Fermi-Energie realisiert und die Impulsverteilung ermittelt wird, und nachfolgend die Impulsverteilung bei höherer Energie von der Impulsverteilung bei der gewünschten kinetischen Energie abgezogen wird. 17. The method of claim 10, wherein for determining the pulse distribution of electrons at a desired kinetic energy below the Fermi energy, the focusing of electrons with the desired kinetic energy to Fermi energy realized and the pulse distribution is determined and subsequently the focusing of Realizing electrons with higher kinetic energy up to Fermi energy and determining the momentum distribution, and subsequently subtracting the momentum distribution at higher energy from the momentum distribution at the desired kinetic energy.
18. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Impulsverteilung der ausgesandten Elektronen in Abhängigkeit von ihrer kinetischen Energie als bildliche Darstellung ermittelt wird. 18. The method of claim 10, wherein the pulse distribution of the emitted electrons is determined as a function of their kinetic energy as a pictorial representation.
19. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem aus den ermittelten Werten der Impulsverteilung der ausgesandten Elektronen in Abhängigkeit von ihrer Energie Aussagen über die physikalischen Eigenschaften der Elektronenaussendeprobe abgeleitet werden. 19. The method according to claim 10, in which statements about the physical properties of the electron emission sample are derived from the determined values of the momentum distribution of the emitted electrons as a function of their energy.
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