WO2016193427A1 - Elektronenquelle und verfahren zum erzeugen eines elektronenstrahls sowie ein verfahren zum herstellen einer solchen elektronenquelle - Google Patents

Elektronenquelle und verfahren zum erzeugen eines elektronenstrahls sowie ein verfahren zum herstellen einer solchen elektronenquelle Download PDF

Info

Publication number
WO2016193427A1
WO2016193427A1 PCT/EP2016/062649 EP2016062649W WO2016193427A1 WO 2016193427 A1 WO2016193427 A1 WO 2016193427A1 EP 2016062649 W EP2016062649 W EP 2016062649W WO 2016193427 A1 WO2016193427 A1 WO 2016193427A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
electron
metallic structure
nanotip
coupling element
electromagnetic wave
Prior art date
Application number
PCT/EP2016/062649
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christoph Lienau
Petra Gross
Jörg Robin
Jan Vogelsang
Original Assignee
Carl Von Ossietzky Universität Oldenburg
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 Carl Von Ossietzky Universität Oldenburg filed Critical Carl Von Ossietzky Universität Oldenburg
Publication of WO2016193427A1 publication Critical patent/WO2016193427A1/de

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02—Details
    • H01J37/04—Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the discharge, e.g. electron-optical arrangement or ion-optical arrangement
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02—Details
    • H01J37/04—Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the discharge, e.g. electron-optical arrangement or ion-optical arrangement
    • H01J37/06—Electron sources; Electron guns
    • H01J37/073—Electron guns using field emission, photo emission, or secondary emission electron sources
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J1/00—Details of electrodes, of magnetic control means, of screens, or of the mounting or spacing thereof, common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
    • H01J1/02—Main electrodes
    • H01J1/34—Photo-emissive cathodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/26—Electron or ion microscopes
    • H01J2237/285—Emission microscopes
    • H01J2237/2855—Photo-emission

Definitions

  • the invention relates to an electron source for generating an electron beam, comprising a cathode. Furthermore, the invention relates to a method for producing an electron beam with such an electron source and to a method for producing such an electron source.
  • Such an electron source is known from document DE 11 2013 001 852 T5.
  • the electron source is part of a scanning electron microscope.
  • it is known to use electron microscopes to study structures with atomic spatial resolution. High-resolution investigations can be carried out by means of a laser which, due to broad spectra and / or short wavelengths, allow a pulse duration in the femtosecond range and below.
  • the spatial resolution of electron microscopes with the temporal resolution and / or pulse duration of lasers.
  • short electron pulses can be generated by means of photoemission due to an ultrashort laser pulse.
  • the temporal resolution of the laser pulse at least in first approximation, pass to the electron pulse.
  • the temporal resolution For different applications and / or examinations it is desirable to increase the temporal resolution as far as possible.
  • imaging optics or to use a laser-based electron point source directly for imaging a sample in a point projection microscope Thereby, the distance between the electron source and the sample can be reduced to about 10 ⁇ m.
  • the temporal resolution and / or the electron pulse duration can be increased to approximately 00 fs.
  • the known electron sources and / or electron microscopes in particular the ultrafast electron microscopes, however, there are some disadvantages.
  • the electrons are produced by a diffraction-limited light spot, which may be a few microns in size with moderate focus, there is a risk that a sample will be moved into the light spot. This can lead to unwanted heating of the sample, potentially triggering unwanted extra electrons, and / or potentially shading an electron-emitting tip of the electron source.
  • no controlled electron pulse and / or no more electrons are triggered.
  • the smallest possible distance between the electron source and the sample is necessary. In particular, it is desirable that the distance is only a few hundred nanometers.
  • the distance between the electron source and the sample should be as small as possible.
  • a reduction of the distance is not possible due to the risk of irradiation of the sample by a light source, in particular a laser, for triggering the electrons.
  • the object underlying the invention is achieved by means of an electron source of the type mentioned above, wherein the cathode has a tapered metallic structure and the metallic structure has a nano-tip for focusing at least one plasmon and for discharging electrons, the metallic structure spaced from the nano tip has a coupling element for exciting the plasmon by means of an electromagnetic wave.
  • an electron emission induced by means of at least one plasmon is generated.
  • electrons are generated by plasmon-induced electron emission.
  • a a tapered metallic structure is provided as a cathode
  • a nano tip is formed on the metallic structure for focusing plasons and discharging electrons
  • a coupling element for exciting the plasmon is introduced by means of an electromagnetic wave into a surface area of the metallic structure.
  • an anode separate from the cathode is provided.
  • the plasmon generated on account of the electromagnetic wave and / or a plurality of generated plasmons runs into a nanometer-sized tip and / or a volume in the nanometer range, namely the abovementioned nanotip, and is focused.
  • a plasmon or several plasmons are spatially contracted in the direction of the nanotip when focusing. Due to the focusing of the at least one plasmone in the region of the nanotip, an electric field in the region of the nanotip can be amplified, whereby electrons can be released from the nanotip and / or detached. Due to a compound of the metallic structure as a cathode with a voltage source, electrons can be replenished.
  • an anode is provided, which may also be connected to the voltage source. It is particularly advantageous that the coupling element is spaced from the nanotip for exciting the at least one plasmone. As a result, direct illumination of the electron source, in particular the nanotip, can be avoided. Thus, a laterally arbitrarily widely extended sample can be brought arbitrarily close to the electron source, in particular the nanotip. Lens systems, in particular electrostatic lens systems, can be constructed more compactly around the electron source, in particular the nanotip. As a result, particularly short pulse durations of the electron pulses can be realized on a sample. A heating of the electron source, in particular the nanotip, is considerably reduced. In particular, heating of the electron source and / or the nanotip results merely from absorption of the plasmon and / or several plasmon. Thus, at most, only a small input of energy or only a slight warming result.
  • the electron source according to the invention enables the production ultra-short electron pulses, in particular with a duration of less than 50 fs, less than 20 fs, less than 15 fs or less than 10 fs.
  • the abbreviation fs stands for femtoseconds, nm for nanometers and pm for micrometers.
  • the at least one plasmon may be a surface plasmon.
  • energy from the electromagnetic wave is transmitted into at least one surface plasmon polariton bonded to the metallic structure. It can, in particular by means of a light pulse, several plasmons, surface plasmons and / or surface plasmon polaritons are excited on the coupling element and / or focused in the region of the nano-tip.
  • the metallic structure and / or the nano-tip is cone-shaped and / or cone-shaped.
  • the metallic structure and / or the nano-tip is conical and / or conical.
  • the metallic structure may be formed of gold or silver.
  • a polycrystalline gold wire in particular having a fine grain structure, can be used as the starting material.
  • the metallic structure and / or the nano-tip may have an opening angle in the range of 10 ° to 40 °, in particular in the range of 20 ° to 30 °.
  • the opening angle of the metallic structure and / or the nano-tip is 22 °. Due to the conical and / or conical shape of the metallic structure, the at least one plasmon is caused to converge and / or focus in the nano-tip.
  • the metallic structure, the nano-tip and / or at least a portion of the metallic structure from the coupling element to the nano-tip is free of impurities and / or free of grain boundaries.
  • the region of the coupling element and / or the region including the coupling element up to and including the nano-tip is free of material contamination and / or free of grain boundaries.
  • the nano-tip has a volume in the nanometer range, in particular of about (10 nm) 3
  • the nano-tip may alternatively be referred to as apex.
  • the nano tip may have a tip radius of less than 20 nm, in particular less than 15 nm or less than 12 nm. In particular, the tip radius of the nano tip is in a range of 5 nm to 12 nm.
  • the coupling element is designed as a grating coupler. By means of the coupling element at least one plasmon can be excited on the surface of the metallic structure due to an incoming electromagnetic wave.
  • the grating coupler can have up to 15 grids or more. Preferably, the number of grid lines is not limited and can be arbitrarily selected.
  • the grating coupler has seven grid lines.
  • the grid lines may have a width in the range of 600 nm to 1,000 nm and / or a depth in the range of 200 nm to 600 nm.
  • the grid lines Preferably, the grid lines have a width in the range of 100 nm to 600 nm.
  • the grid lines are 800 nm wide and 400 nm deep.
  • the grating coupler preferably has a lattice constant in the range from 1200 nm to 3000 nm, in particular in the range from 1500 nm to 2500 nm. More preferably, the grating coupler has a lattice constant of 1600 nm or 2000 nm.
  • the lattice constant can be the wavelength of the electromagnetic radiation radiated onto the coupling element Wave correspond.
  • the electromagnetic wave is radiated obliquely to the surface of the metallic structure and / or the coupling element on the coupling element.
  • the lattice constant is a function of the angle of incidence of the electromagnetic wave to the surface of the metallic structure and / or the coupling element.
  • the electromagnetic wave is aligned with an angle of incidence to the surface of the metallic structure and / or the coupling element on the coupling element, which corresponds to half the opening angle of the metallic structure and / or the nanotip.
  • the distance of the coupling element from the nano tip is greater than a focus diameter of a light source for irradiating the coupling element.
  • the light source serves to deliver and / or provide the electromagnetic wave.
  • the light source is designed as a laser.
  • the distance between the coupling element and the nano tip may be greater than 10 pm or greater than 20 pm.
  • the distance between the coupling element and the nanotip is in the range of 10 pm to 200 pm.
  • the distance between the coupling element and the nano tip is 50 pm.
  • the distance between the coupling element and the nano-tip is selected such that a simultaneous illumination of the nano-tip is avoided when the coupling element is illuminated.
  • the distance of the coupling element from the nanotip is selected such that this distance is less than an average propagation length of the plasmons generated by means of the electromagnetic wave.
  • the mean propagation length of the plasmons produced thereby is about 100 ⁇ m.
  • the metallic structure is disposed within a vacuum chamber.
  • a light source, in particular a laser, for irradiating the coupling element can be arranged inside or outside the vacuum chamber.
  • the light source is arranged outside the vacuum chamber.
  • the light and / or the electromagnetic wave of the light source can be supplied to the coupling element through a window element associated with the vacuum chamber.
  • the window element can be arranged in a wall of the vacuum chamber.
  • a lens, a lens system and / or a reflection optics may be provided. The lens, the lens system and / or the reflection optics can be arranged inside or outside the vacuum chamber.
  • the lens, the lens system and / or the reflection optics is positioned between the light source and the coupling element, in particular the lens, the lens system and / or the reflection optics serve to focus the light and / or the electromagnetic wave of the light source onto the surface of the coupling element.
  • the focusing of the light and / or the electromagnetic wave of the light source takes place in such a way that the light and / or the electromagnetic wave substantially completely hits the coupling element.
  • a voltage of a voltage source is applied to the cathode.
  • a voltage of the voltage source is applied to the cathode and an anode for generating an electric field between the cathode and the anode.
  • the electrons thus accelerated and accelerated away from the nanotip by the applied voltage can be used for investigations of a sample.
  • the cathode, the metallic structure and / or the nanotip are supplied with sufficient electrons for further triggering and / or detachment processes from the nanotip.
  • a light pulse and / or an electromagnetic wave is focused on the coupling element for generating the at least one plasmon, in particular surface plasmon and / or surface plasmon polariton.
  • the light pulse and / or the electromagnetic wave is provided by a light source, in particular a laser.
  • the generated and / or excited plasmon is focused in the direction of the nano-tip.
  • the produced and / or excited plasmons are fed in the direction of the nanotip.
  • the at least one plasmon and / or several plasmons are focused in a nanometer-sized volume of the nano-tip.
  • an electric field in the region of the nanotip is intensified on account of the focusing of the plasmone and / or the plasmons. Due to the focusing of the plasmon and / or the plasmon, in particular due to the amplification of the electric field in the region of the nanotip, electrons can be released from the nanotip and / or peeled off.
  • a light pulse and / or an electromagnetic wave of a light source is focused on a focus diameter, in particular by means of a lens, a lens system and / or reflection optics, which corresponds at least substantially to the dimensions and / or the surface of the coupling element.
  • a focus diameter in particular by means of a lens, a lens system and / or reflection optics, which corresponds at least substantially to the dimensions and / or the surface of the coupling element.
  • energy losses during the conversion of the electromagnetic wave into a plasmon can be reduced.
  • the focusing and / or adjustment of the light pulse, the electromagnetic wave, the focus diameter and / or the light source with respect to a center axis of the metallic structure takes place.
  • the irradiation of the light pulse and / or the electromagnetic wave on the coupling element is oblique to the surface of the metallic structure and / or the coupling element.
  • the irradiation of the light pulse and / or the electromagnetic wave with an angle of incidence to the surface, which corresponds to half the opening angle of the metallic structure and / or the nanotip occurs.
  • a light pulse and / or an electromagnetic wave having a time resolution and / or duration of less than 100 fs, less than 50 fs or less than 20 fs is used. More preferably, the time resolution and / or duration is in the range of 15 fs, 10 fs or less.
  • a time resolution and / or duration of the light pulse and / or the electron pulse of less than 15 fs or less than 10 fs can be realized.
  • the electron source of the invention allows a very high temporal resolution.
  • the light pulse and / or the electromagnetic wave for exciting the at least one plasmone and / or several plasmons one, in particular average, wavelength in the range of 0.3 ⁇ to 20 pm, preferably in the range of 1200 nm to 2000 nm the light pulse and / or the electromagnetic wave has a, preferably mean, wavelength of 1,600 nanometers.
  • the wavelength can be in the range from 0.6 ⁇ m to 20 ⁇ m.
  • the wavelength can range from 0.3 pm to 20 pm.
  • the light pulse and / or the electromagnetic wave may have an energy of less than 50 picojoules.
  • An electron can be detached and / or triggered at the nanotip due to a multi-photon excitation.
  • an undesired detachment and / or release of electrons due to, for example, one-photon excitation in the region of the metallic structure and outside the nanotip is avoided.
  • an electron at the nanotip is detached and / or triggered on the basis of a, in particular on average, 7-photon excitation.
  • the wavelength of the light source is chosen such that one-photon excitation is avoided.
  • a wavelength of 1,600 nm is used for the light source, the light pulse and / or the electromagnetic waves, in which on average 7 photons are necessary for overcoming the work function for an electron.
  • an anode is provided for cooperation with the cathode.
  • the metallic structure is made of a polycrystalline material and / or a wire, in particular a gold wire.
  • the material of the metallic structure is heated in a predetermined time to dissolve grain boundaries.
  • the material of the metallic structure is heated to a temperature of at least 500 ° C. or 800 ° C.
  • the material of the metallic structure can be kept in a heated state for a predetermined period of time and / or cooled to ambient temperature in a predetermined period of time Duration may be at least 6 hours or exactly 8 hours.
  • the material of the metallic structure and / or the nano-tip can first be heated to a temperature of 800 ° Celsius within, for example, 8 hours. Subsequently, the heated material can be maintained at a temperature of 800 ° C for a further 8 hours. Subsequently, the material of the metallic structure and / or the nano-tip can be cooled to ambient temperature over a period of 8 hours. By this method, the material is relaxed. In particular, larger grain structures are formed.
  • the metallic structure and / or the nanotip is approximately einkristallin auslagbar.
  • the material of the metallic structure and / or the nano-tip is heated to dissolve grain boundaries in the area of the tapering metallic structure and / or the nano-tip, in particular in a region between the coupling element and the nano-tip.
  • the tapered, in particular conical and / or conical, shape of the metallic structure and / or the nano-tip is produced by means of etching in an acid.
  • the etching can be electrochemical respectively.
  • the acid used can be a hydrochloric acid, in particular a 37% solution.
  • a wire preferably a gold wire, immersed in an opening of a platinum ring and / or at a predetermined depth is immersed in the acid.
  • the wire can be immersed in the acid for 20 ⁇ m to 100 ⁇ m, preferably 50 ⁇ m, deep.
  • the platinum ring can serve as a counter electrode for the wire.
  • a voltage can be applied to the wire and the platinum ring.
  • the tapered metallic structure and / or the nano-tip is produced at a free end of a wire.
  • the acid creeps up some distance on the wire due to capillary forces, with the acid breaking away from the metallic structure and / or the nano-tip after sufficient removal of material. Due to the material removal, the tapered, conical and / or conical shape of the metallic structure and / or the nano-tip can be produced.
  • the coupling element is applied spaced from the nano-tip on the surface of the tapered metallic structure.
  • the coupling element in particular in the form of a grating coupler, can be applied by means of ion beam lithography and / or FIB (focussed ion beam milling).
  • a detector system for detecting electrons By means of the detector system, the electrons imaging a sample can be detected. In particular, it is possible by means of the detector system to determine a spatial position of an electron when hitting the detector system.
  • the detector system preferably has a detection device for determining a kinetic energy of the electrons. Thus, by means of the detection device, the kinetic energy of the electrons can be detected when hitting the detector system.
  • the detector system allows both an investigation and / or determination of the location as well as a kinetic energy and / or velocity of the detected electrons.
  • the detection device may comprise a delay line detector. In particular, the detection device is designed as a delay line detector.
  • the detection device and / or the delay line detector can be arranged in combination with at least one microchannel plate.
  • the use of one or more microchannel plates, in particular with channels running obliquely to the plane of the plate, is known from conventional detector systems.
  • conventional detector systems such microchannel plates are used in combination with a phosphor screen.
  • the phosphor screen is used to represent the impinging electrons or the resulting electron spots.
  • a delay line detector may be present.
  • the lifetime of the electron source, in particular the metallic structure and / or the nanotip can be optimized by improving the vacuum. For example, instead of a turbo-pump for generating the vacuum, an ion getter pump can be used, whereby the vacuum is improved.
  • the mechanical stability of the structure of the electron source is increased.
  • the mechanical stability can be increased by means of a more compact design.
  • the mechanical stability in the region of the energy source and / or the sample can be increased by focusing the first light beam and / or the further light beam outside the vacuum chamber.
  • a lens, a lens system and / or a reflection optics may be arranged outside the vacuum chamber. This can minimize the number of objects within the vacuum chamber. For example, the number of motorized traversing tables in the vacuum chamber can be reduced. This can also lead to a reduction of costs.
  • Another advantage is a vibration-damped suspension of the electron source, in particular the metallic structure and / or nanotip.
  • the sample may be suspended vibration damped. Due to the vibration-damped suspension vibrations can be minimized. Thereby, the spatial and / or temporal resolution in the use of the electron source in an electron microscope for examining a sample can be improved.
  • the electron source, the metallic structure and / or the nanotip can be surrounded by a shield, in particular of magnetically highly permeable metal. This is preferably a passive shield.
  • the vacuum chamber may be formed of a corresponding material. Due to such a shield, an influence of the electrons in their propagation by external, in particular electromagnetic, fields can be reduced or prevented. For example, a so-called Mu metal can be used.
  • the electron beam is formed as an electron pulse.
  • electron pulse is understood or defined as synonymous with the term electron pulse.
  • light pulse can be understood or defined as synonymous with the term light pulse.
  • electron pulse can be replaced by electron pulse and / or the term light pulse by light pulse.
  • an electron source according to the invention in an electron microscope, in particular in an ultrafast electron microscope, in a point projection microscope, in a scanning tunneling microscope, in a transmission electron microscope, in a scanning electron microscope.
  • Photocurrent microscope and / or time-resolved imaging of currents and / or electromagnetic fields in materials are particularly advantageous.
  • Fig. 1 is a schematic side view of an electron source according to the invention.
  • FIG. 2 shows a schematic flow diagram for a method according to the invention for producing an electron beam with an electron source according to FIG. 1, and FIG.
  • FIG. 3 shows a schematic Abiaufdiagramm for a method according to the invention for producing an electron source according to FIG. 1.
  • the electron source 10 has a cathode 11 and an anode 12.
  • the cathode 11 and the anode 12 are connected to a voltage source 13.
  • the cathode 1 1 and the anode 12 are spaced from each other, wherein due to the applied voltage source 13 between the cathode 11 and the anode 12, an electric field not shown in detail here is generated.
  • the cathode 1 1 has a tapered metallic structure 14.
  • the tapered metallic structure 14 has a conical shape with a nano-tip 15.
  • the nano-tip 15 has a nanometer-sized volume and faces the anode 12.
  • the nano-tip 15 has an opening angle of 30 ° and the nano-tip has a tip radius of 12 nm.
  • Between the cathode 11 and the anode 12 may be arranged directly in front of the nano-tip 15, a sample not shown here.
  • the tapering metallic structure 14 Spaced apart from the nano-tip 15, the tapering metallic structure 14 has a coupling element 16.
  • the coupling element 16 is spaced about 50 pm from the nanotip 15.
  • the coupling element 16 is designed as a grating coupler and applied to a surface 21 of the tapered metallic structure 14.
  • the schematically illustrated grating coupler 16 has four grid lines 17. For better clarity, not all grid lines 17 are provided with a reference numeral. Alternatively, more grid lines 17, in particular seven grid lines 17, may be provided.
  • the coupling element 16 serves to excite surface plasmons on the surface 21 of the tapered metallic structure 14 due to a light pulse irradiated onto the coupling element 16 and / or an electromagnetic wave 19.
  • the electron source 10 has a light source 18, wherein the light source 18 is formed in this embodiment as a laser.
  • the light source 18 is arranged such that a light pulse and / or an electromagnetic wave 19 is aligned with the coupling element 16.
  • An axis of the light pulse and / or the electromagnetic wave 19 is aligned in this embodiment with respect to a central axis 20 of the metallic structure 14.
  • the central axis 20 is schematically indicated as a dashed line.
  • the light pulse and / or the electromagnetic wave in this embodiment is oriented obliquely to the surface 21 of the metallic structure 14 or of the coupling element 16.
  • a lens 22 is arranged between the light source 18 and the coupling element 16. Instead of a single lens 22, a lens system or a reflection optics may be provided. The lens 22 is positioned in a beam path for the light pulse and / or the electromagnetic wave 19 of the light source 18.
  • the metallic structure 14 is disposed within a vacuum chamber 23.
  • the anode 12 is positioned within the vacuum chamber 23 in this example.
  • a window member 24 is arranged. Outside the vacuum chamber 23, the light source 18, wherein the light pulse and / or the electromagnetic wave 19 can pass through the window member 24 into the interior of the vacuum chamber 23 and the coupling element 16.
  • the lens 22 is disposed within the vacuum chamber 23.
  • the lens 22 may be outside the vacuum chamber 23.
  • the light source 18 may be positioned within the vacuum chamber 23, in which case the window element 24 is dispensable.
  • step S10 shows a schematic flow chart for a method according to the invention for generating an electron beam with an electron source 10 according to FIG. 1.
  • a voltage is applied to the cathode 11 and the anode 12 by means of the voltage source 13 in accordance with step S11. Due to the applied voltage, an electric field is formed between the metallic structure 14 and the anode 12.
  • the coupling element 16 is illuminated with a light pulse 19. At least a portion of the energy impinging on the coupler 16 is coupled into a surface plasmon polariton. Then, in accordance with step S13, a nanofocusing of the at least one generated plasmone takes place.
  • the plasmon generated runs along the surface 21 of the coupling element 16 in the direction of the nano-tip 15.
  • the plasmon contracts when approaching the nano-tip 15 spatially and slows down until it is in a nanometer-sized volume of Nanospitze 15 is concentrated. In this case, a field strength in the region of the nanotip 15 of a few V / nm is achieved. In this embodiment, about 7 V / nm are achieved in the region of the nanotip 15.
  • an increase in the electric field results at the nanotip 15 due to the nanofocusing of the at least one plasmone. Due to this plasmon-induced amplification of the electric field at the nanotip 15, electrons are released from the nanotip 15, whereby an electron pulse is generated according to step S14. The thus-free electrons are accelerated away from the nanotip 15 in the direction of the anode 12 by the applied voltage.
  • the method for generating the electron beam and / or electron pulse ends according to step S15.
  • step S20 starts according to step S20, according to this exemplary embodiment a step corresponding to step S21 providing a gold wire.
  • the gold wire for example, a diameter of 125 ⁇ and a length of 10 mm.
  • the gold wire is heated according to step S22.
  • the gold wire is first heated for a period of 8 hours to a temperature of 800 ° C, then held for a period of 8 hours at a temperature of 800 ° C and annealed, then cooled to ambient temperature over a period of another 8 hours to become. Due to the heating in step S22, the material is expanded and grain boundaries are dissolved.
  • etching of a conical structure including a nanotip 15 takes place.
  • electrochemical etching takes place in a 37% hydrochloric acid solution with a platinum ring as counter electrode to the gold wire.
  • a free end of the gold wire is centered in an opening of the platinum ring immersed a little 50 pm deep in the hydrochloric acid. Due to the effective capillary forces, the acid creeps up the wire a bit. Due to the applied voltage between the wire and the platinum ring material removal is realized on the wire. The material removal ends in the moment in which the acid film from the generated by the material removal and tapered metallic structure 14 with the nano tip 15 breaks off.
  • a coupling element 16 is applied to the surface 21 of the metallic structure 14.
  • the coupling element 16 is produced at a distance from the nanotip 15 on the metallic structure 14.
  • the production of the coupling element takes place in this embodiment by means of an ion beam lithography.
  • a cathode-anode assembly according to step S25 is provided.
  • the metallic structure 14 is connected as a cathode and a separate anode 12 to a voltage source 13.
  • a light source 18 for outputting a light pulse and / or an electromagnetic wave 19 is provided and / or adjusted.
  • the light pulse and / or the electromagnetic wave 19 is focused, for example by means of the lens 22 such that the focus diameter substantially covers the surface of the coupling element 16.
  • the manufacturing process according to the step S27 is finished.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)
  • Cold Cathode And The Manufacture (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektronenquelle (10) zum Erzeugen eines Elektronenstrahls, mit einer Kathode (11). Um eine höhere zeitliche Auflösung und/oder einen geringeren Abstand zwischen der Elektronenquelle (10) und einer Probe zu ermöglichen, ist die Elektronenquelle dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (11) eine sich verjüngende metallische Struktur (14) aufweist und die metallische Struktur (14) eine Nanospitze (15) zum Fokussieren von mindestens einem Plasmon und zum Abgeben von Elektronen hat, wobei die metallische Struktur (14) beabstandet von der Nanospitze (15) ein Koppelelement (16) zum Anregen des Plasmon mittels einer elektromagnetischen Welle (19) hat.

Description

Eiektronenquelie und Verfahren zum Erzeugen eines Elektronenstrahls sowie ein
Verfahren zum Hersteifen einer solchen Eiektronenquelie
B e s c h r e i b u n g
Die Erfindung betrifft eine Elektronenquelle zum Erzeugen eines Elektronenstrahls, mit einer Kathode. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen eines Elektronenstrahls mit einer solchen Elektronenquelle sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Elektronenquelle.
Eine derartige Elektronenquelle ist aus dem Dokument DE 11 2013 001 852 T5 bekannt. Hierbei ist die Elektronenquelle Bestandteil eines Rasterelektronenmikroskops. Darüber hinaus ist es bekannt, Elektronenmikroskope zu verwenden, um Strukturen mit atomarer räumlicher Auflösung zu untersuchen. Zeitlich hoch aufgelöste Untersuchungen können mittels eines Lasers durchgeführt werden, die aufgrund breiter Spektren und/oder kurzer Wellenlängen eine Pulsdauer im Femtosekundenbereich und darunter ermöglichen.
Um gleichzeitig eine hohe räumliche und eine hohe zeitliche Auflösung zu ermöglichen, kann die räumliche Auflösung von Elektronenmikroskopen mit der zeitlichen Auflösung und/oder Pulsdauer von Lasern verbunden werden. Bei derartigen sogenannten ultraschnellen Elektronenmikroskopen können kurze Elektronenimpulse mittels Photoemission aufgrund eines ultrakurzen Laserimpulses erzeugt werden. Hierbei kann die zeitliche Auflösung des Laserimpulses, zumindest in erster Näherung, auf den Elektronenimpuls übergehen. Mit dem ultrakurzen Elektronenimpuls kann eine Probe bestrahlt werden, wobei vorzugsweise die Probe zuvor mittels mindestens einem zweiten ultrakurzen Energieimpulses und/oder Elektronenimpulses angeregt wurde. Mittels der Variation der Verzögerung zwischen dem Eintreffen der beiden Impulse auf der Probe kann die zeitliche Entwicklung abgebildet werden.
Für unterschiedliche Anwendungen und/oder Untersuchungen ist es wünschenswert, die zeitliche Auflösung möglichst zu erhöhen. Hierzu ist es bekannt, abbildende Optiken zu verwenden oder eine laserbasierte Elektronenpunktquelle direkt zur Abbildung einer Probe in einem Punktprojektionsmikroskop zu verwenden. Hierdurch kann der Abstand zwischen der Elektronenquelle und der Probe bis auf etwa 10 im verkleinert werden. Mittels geeigneter Maßnahmen kann die zeitliche Auflösung und/oder die Elektronenimpulsdauer auf etwa 00 fs erhöht werden.
Bei den bekannten Elektronenquellen und/oder Elektronenmikroskopen, insbesondere den ultraschnellen Elektronenmikroskopen, bestehen jedoch einige Nachteile. Wenn beispielsweise die Elektronen durch einen in seiner Größe beugungsbegrenzten Lichtfleck erzeugt werden, der bei moderater Fokussierung einige Mikrometer groß sein kann, besteht die Gefahr, dass eine Probe in den Lichtfleck bewegt wird. Dies kann zu einer unerwünschten Erwärmung der Probe, potenziell zur Auslösung unerwünschter zusätzlicher Elektronen und/oder potenziell zur Abschattung einer Elektronen emittierenden Spitze der Elektronenquelle führen. Somit besteht das Risiko, dass kein kontrollierter Elektronenimpuls und/oder gar keine Elektronen mehr ausgelöst werden. Für räumlich hoch auflösende Projektionsbilder ist ein möglichst geringer Abstand zwischen der Elektronenquelle und der Probe notwendig. Insbesondere ist es wünschenswert, dass der Abstand nur wenige hundert Nanometer beträgt. Auch für zeitlich hoch aufgelöste Messungen sollte der Abstand zwischen der Elektronenquelle und der Probe möglichst klein sein. Eine Verringerung des Abstandes ist jedoch aufgrund der Gefahr einer Bestrahlung der Probe durch eine Lichtquelle, insbesondere einen Laser, zum Auslösen der Elektronen nicht möglich.
Bei einer starken Fokussierung des Elektronen auslösenden Lichtstrahls und/oder Laserimpulses zur Verkleinerung des Lichtflecks am Ort der Auslösung der Elektronen ist zwar ein geringerer Abstand zwischen der Elektronenquelle und der Probe realisierbar, jedoch nimmt hierbei der Öffnungswinkel des Lichtkegels zu. Dieser Lichtkegel, insbesondere mit einem Öffnungswinkel von einigen zehn Grad, muss freigehalten werden und steht somit nicht zur Platzierung von z.B. Elektronenlinsen zur Verfügung. Hierdurch besteht die Gefahr, dass das Design und/oder die Konstruktion von entsprechenden Linsensystemen stark eingeschränkt ist. Des Weiteren ist von Nachteil, dass die Größe des fokussierten Lichtes, insbesondere im Bereich einiger Mikrometer, und der Elektronenquelle, insbesondere im Bereich einiger Nanometer, üblicherweise nicht übereinstimmen. Hierdurch entsteht der Nachteil, dass ein großer Teil der Laserenergie nicht zur Emission von Elektronen genutzt werden kann.
Bei einer Beleuchtung einer Spitze einer Elektronenquelle mit einem Fernfeld wird zudem nicht nur die Spitze beleuchtet, an der auch tatsächlich die Elektronen ausgelöst werden, sondern auch weitere Bestandteile der Elektronenquelle, insbesondere ein Teil des Spitzenschaftes und/oder der sich verjüngenden metallischen Struktur. Hierdurch besteht die Gefahr einer unerwünschten Erwärmung der Elektronenquelle, insbesondere der Spitze der Elektronenquelle. Hierdurch kann es zu einer Ausdehnung der metallischen Struktur und/oder der Spitze kommen, was die stabile Platzierung einer Probe in einem vorgegebenen Abstand zu der Elektronenquelle erheblich erschwert. Insbesondere bei einer gepulsten Beleuchtung und damit kurzfristigen Ausdehnungen der Elektronenquelle und/oder einer Spitze der Elektronenquelle auf einer Zeitskala, die schneller ist als eine Abstandsregelung, kann eine stabile Positionierung der Probe hinsichtlich eines konstanten Abstandes zwischen der Probe und der Elektronenquelle sogar unmöglich sein. Es ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, eine Elektronenquelle und ein Verfahren zum Erzeugen eines Elektronenstrahls der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass eine höhere zeitliche Auflösung und/oder ein geringerer Abstand zwischen der Elektronenquelle und einer Probe ermöglicht ist. Des Weiteren ist es eine der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Elektronenquelle anzugeben.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird mittels einer Elektronenquelle der eingangs genannten Art gelöst, wobei die Kathode eine sich verjüngende metallische Struktur aufweist und die metallische Struktur eine Nanospitze zum Fokussieren von mindestens einem Plasmon und zum Abgeben von Elektronen hat, wobei die metallische Struktur beabstandet von der Nanospitze ein Koppelelement zum Anregen des Plasmon mittels einer elektromagnetischen Welle hat. Bei dem Verfahren zum Erzeugen eines Elektronenstrahls mit einer solchen Elektronenquelle wird eine mittels mindestens eines Plasmons induzierte Elektronenemission erzeugt. Insbesondere wird bei dem Verfahren zum Erzeugen eines Elektronenstrahls und/oder Elektronenpulses Elektronen durch Plasmon-induzierte Elektronenemission erzeugt. Bei dem Verfahren zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Elektronenquelle ist vorgesehen, dass eine sich verjüngende metallische Struktur als eine Kathode bereitgestellt wird, eine Nanospitze an der metallischen Struktur zum Fokussieren von Plasmonen und Abgeben von Elektronen hergestellt wird, und ein Koppelelement zum Anregen der Plasmonen mittels einer elektromagnetischen Welle in einen Oberflächen bereich der metallischen Struktur eingebracht wird. Vorzugsweise wird eine zu der Kathode separate Anode bereit gestellt.
Hierbei ist von Vorteil, dass das aufgrund der elektromagnetischen Welle erzeugte Plasmon und/oder mehrere erzeugte Plasmonen in eine nanometergroße Spitze und/oder ein Volumen im Nanometerbereich, nämlich die vorstehend genannte Nanospitze, hineinläuft und fokussiert wird. Insbesondere wird ein Plasmon oder werden mehrere Plasmonen beim Fokussieren in Richtung der Nanospitze räumlich zusammen gezogen. Aufgrund der Fokussierung des mindestens einen Plasmons im Bereich der Nanospitze kann ein elektrisches Feld im Bereich der Nanospitze verstärkt werden, wodurch Elektronen aus der Nanospitze ausgelöst und/oder abgelöst werden können. Aufgrund einer Verbindung der metallischen Struktur als Kathode mit einer Spannungsquelle können Elektronen nachgeliefert werden. Insbesondere ist eine Anode vorgesehen, die ebenfalls mit der Spannungsquelle verbunden sein kann. Von besonderem Vorteil ist, dass das Koppelelement zum Anregen des mindestens einen Plasmons von der Nanospitze beabstandet ist. Hierdurch ist eine direkte Beleuchtung der Elektronenquelle, insbesondere der Nanospitze, vermeidbar. Somit kann eine seitlich beliebig weit ausgedehnte Probe beliebig dicht an die Elektronenquelle, insbesondere die Nanospitze, herangebracht werden. Linsensysteme, insbesondere elektrostatische Linsensysteme, können kompakter um die Elektronenquelle, insbesondere die Nanospitze, herumgebaut werden. Hierdurch sind besonders kurze Impulsdauern der Elektronenimpulse auf eine Probe realisierbar. Eine Erwärmung der Elektronenquelle, insbesondere der Nanospitze, ist erheblich reduzierbar. Insbesondere ergibt sich eine Erwärmung der Elektronenquelle und/oder der Nanospitze lediglich aufgrund einer Absorption des Plasmons und/oder mehrerer Plasmonen. Somit kann sich allenfalls ein lediglich geringer Energieeintrag bzw. eine lediglich geringe Erwärmung ergeben.
Die Verwendung eines von der Nanospitze beabstandeten Koppelelementes ermöglicht eine stärkere Fokussierung der elektromagnetischen Welle. Hierdurch kann eine geringere Leistung bei einer Lichtquelle für die elektromagnetische Welle gewählt werden als bei einer direkten Beleuchtung der Elektronenquelle, insbesondere der Nanospitze. Insbesondere wird aufgrund des von der Nanospitze beabstandeten Koppelelementes und der Fokussierung des mindestens einen Plasmons ein Missverhältnis zwischen der Größe der Beleuchtung des Koppelelementes und der Größe des Emissionspunktes für die Elektronen erheblich reduziert oder aufgehoben. Vorzugsweise ermöglicht die erfindungsgemäße Elektronenquelle die Erzeugung ultrakurzer Elektronenimpulse, insbesondere mit einer Zeitdauer von weniger als 50 fs, weniger als 20 fs, weniger als 15 fs oder weniger als 10 fs. Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung steht die Abkürzung fs für Femtosekunden, nm für Nanometer und pm für Mikrometer.
Bei dem mindestens einen Plasmon kann es sich um ein Oberflächenplasmon handeln. Insbesondere wird Energie aus der elektromagnetischen Welle in mindestens ein an die metallische Struktur gebundenes Oberflächenplasmon-Polariton übertragen. Es können, insbesondere mittels eines Lichtimpulses, mehrere Plasmonen, Oberflächenplasmonen und/oder Oberflächenplasmon-Polaritonen an dem Koppelelement angeregt werden und/oder im Bereich der Nanospitze fokussiert werden.
Gemäß einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Elektronenquelle ist die metallische Struktur und/oder die Nanospitze konusartig und/oder kegelartig ausgebildet. Insbesondere ist die metallische Struktur und/oder die Nanospitze konusförmig und/oder kegelförmig. Die metallische Struktur kann aus Gold oder Silber gebildet sein. Beispielsweise kann ein polykristalliner Golddraht, insbesondere mit einer feinen Kornstruktur, als Ausgangsmaterial eingesetzt werden. Die metallische Struktur und/oder die Nanospitze kann einen Öffnungswinkel im Bereich von 10° bis 40°, insbesondere im Bereich von 20° bis 30°, aufweisen. Beispielsweise beträgt der Öffnungswinkel der metallischen Struktur und/oder der Nanospitze 22°. Aufgrund der konusartigen und/oder kegelartigen Gestalt der metallischen Struktur werden das mindestens eine Plasmon zum Zusammenlaufen und/oder Fokussieren in der Nanospitze veranlasst.
Vorzugsweise ist die metallische Struktur, die Nanospitze und/oder mindestens ein Bereich der metallischen Struktur vom Koppelelement bis zur Nanospitze frei von Verunreinigungen und/oder frei von Korngrenzen. Insbesondere ist der Bereich des Koppeielementes und/oder der Bereich einschließlich des Koppelelementes bis einschließlich der Nanospitze frei von Materialverunreinigungen und/oder frei von Korngrenzen. Hierdurch sind unerwünschte Störeffekte bei der Fokussierung der Plasmonen in Richtung der Nanospitze vermeidbar. Insbesondere ist ein unerwünschtes Ablösen von Elektronen in einem Bereich außerhalb der Nanospitze, insbesondere im Bereich des Koppelelementes und/oder in einem Bereich zwischen dem Koppelelement und der Nanospitze vermeidbar.
Vorzugsweise hat die Nanospitze ein Volumen im Nanometerbereich, insbesondere von etwa (10 nm)3 Die Nanospitze kann alternativ als Apex bezeichnet werden. Die Nanospitze kann einen Spitzenradius kleiner als 20 nm, insbesondere kleiner als 15 nm oder kleiner als 12 nm aufweisen. Insbesondere liegt der Spitzenradius der Nanospitze in einem Bereich von 5 nm bis 12 nm. Gemäß einer Weiterbildung ist das Koppelelement als ein Gitterkoppler ausgebildet. Mittels des Koppelelementes ist aufgrund einer eintreffenden elektromagnetischen Welle mindestens ein Plasmon auf der Oberfläche der metallischen Struktur anregbar. Der Gitterkoppler kann bis zu 15 Gitterlinien oder mehr aufweisen. Vorzugsweise ist die Anzahl der Gitterlinien nicht beschränkt und kann beliebig gewählt werden. Insbesondere hat der Gitterkoppler sieben Gitterlinien. Die Gitterlinien können eine Breite im Bereich von 600 nm bis 1.000 nm und/oder eine Tiefe im Bereich von 200 nm bis 600 nm aufweisen. Vorzugsweise haben die Gitterlinien eine Breite im Bereich von 100 nm bis 600 nm. Insbesondere sind die Gitterlinien 800 nm breit und 400 nm tief. Vorzugsweise hat der Gitterkoppler eine Gitterkonstante im Bereich von 1.200 nm bis 3.000 nm, insbesondere im Bereich von 1.500 nm bis 2.500 nm. Besonders bevorzugt hat der Gitterkoppler eine Gitterkonstante von 1.600 nm oder 2.000 nm. Die Gitterkonstante kann der Wellenlänge der auf das Koppelelement eingestrahlten elektromagnetischen Welle entsprechen. Vorzugsweise wird die elektromagnetische Welle schräg zur Oberfläche der metallischen Struktur und/oder des Koppelelementes auf das Koppelelement eingestrahlt. Insbesondere ergibt sich die Gitterkonstante in Abhängigkeit von dem Einfallswinkel der elektromagnetischen Welle zur Oberfläche der metallischen Struktur und/oder des Koppelelementes. Vorzugsweise wird die elektromagnetische Welle mit einem Einfallswinkel zur Oberfläche der metallischen Struktur und/oder des Koppelelementes auf das Koppelelement ausgerichtet, der dem halben Öffnungswinkel der metallischen Struktur und/oder der Nanospitze entspricht.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist der Abstand des Koppelelementes von der Nanospitze größer als ein Fokusdurchmesser einer Lichtquelle zum Bestrahlen des Koppelelementes. Insbesondere dient die Lichtquelle zum Abgeben und/oder Bereitstellen der elektromagnetischen Welle. Vorzugsweise ist die Lichtquelle als ein Laser ausgebildet. Der Abstand zwischen dem Koppelelement und der Nanospitze kann größer als 10 pm oder größer als 20 pm sein. Vorzugsweise liegt der Abstand zwischen dem Koppelement und der Nanospitze im Bereich von 10 pm bis 200 pm. Besonders bevorzugt beträgt der Abstand zwischen dem Koppelelement und der Nanospitze 50 pm. Insbesondere ist der Abstand zwischen dem Koppelement und der Nanospitze derart gewählt, dass bei einer Beleuchtung des Koppelelementes eine gleichzeitige Beleuchtung der Nanospitze vermieden ist. Insbesondere ist der Abstand des Koppelelementes von der Nanospitze derart gewählt, dass dieser Abstand geringer ist als eine mittlere Propagationslänge der mittels der elektromagnetischen Welle erzeugten Plasmonen. Bei einer Wellenlänge von beispielsweise 1.600 nm der am Koppelelement eintreffenden elektromagnetischen Welle beträgt die mittlere Propagationslänge der hierdurch erzeugten Plasmonen etwa 100 pm. Somit ist beispielsweise bei einem Abstand des Koppelelementes von der Nanospitze von etwa 50 pm gewährleistbar, dass die Plasmonen die Nanospitze erreichen. Vorzugsweise ist die metallische Struktur innerhalb einer Vakuumkammer angeordnet. Hierdurch kann eine Beschädigung und/oder Zerstörung der Elektronenqueile, insbesondere aufgrund einer Ionisation der ansonsten vorhandenen Gase, vermieden werden. Eine Lichtquelle, insbesondere ein Laser, zum Bestrahlen des Koppelelementes kann innerhalb oder außerhalb der Vakuumkammer angeordnet sein. Vorzugsweise ist die Lichtquelle außerhalb der Vakuumkammer angeordnet. Das Licht und/oder die elektromagnetische Welle der Lichtquelle kann dem Koppelelement durch ein Fensterelement, das der Vakuumkammer zugeordnet ist, zugeführt werden. Das Fensterelement kann in einer Wand der Vakuumkammer angeordnet sein. Des Weiteren kann eine Linse, ein Linsensystem und/oder eine Reflexionsoptik vorgesehen sein. Die Linse, das Linsensystem und/oder die Reflexionsoptik kann innerhalb oder außerhalb der Vakuumkammer angeordnet sein. Die Linse, das Linsensystem und/oder die Reflexionsoptik ist zwischen der Lichtquelle und dem Koppelelement positioniert, insbesondere dient die Linse, das Linsensystem und/oder die Reflexionsoptik zum Fokussieren des Lichtes und/oder der elektromagnetischen Welle der Lichtquelle auf die Fläche des Koppelelementes. Vorzugsweise erfolgt die Fokussierung des Lichtes und/oder der elektromagnetischen Welle der Lichtquelle derart, dass das Licht und/oder die elektromagnetische Welle im Wesentlichen vollständig auf das Koppelelement trifft.
Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erzeugen eines Elektronenstrahls und/oder eines Elektronenimpulses wird eine Spannung einer Spannungsquelle an die Kathode angelegt. Insbesondere wird eine Spannung der Spannungsquelle an die Kathode und eine Anode zum Erzeugen eines elektrischen Feldes zwischen Kathode und Anode angelegt. Hierdurch kann die mittels des mindestens einen Plasmons induzierte Elektronenemission erleichtert und/oder unterstützt werden. Nach der Auslösung und/oder Ablösung der Elektronen von der Nanospitze aufgrund der Fokussierung des mindestens einen Plasmons und/oder der mehreren Plasmonen werden die abgelösten Elektronen in Richtung der Anode beschleunigt. Die somit freien und durch die angelegte Spannung von der Nanospitze weg beschleunigten Elektronen können für Untersuchungen einer Probe verwendet werden. Mittels der angelegten Spannung werden der Kathode, der metallischen Struktur und/oder der Nanospitze hinreichend Elektronen für weitere Auslöse und/oder Ablöseprozesse von der Nanospitze zugeführt.
Vorzugsweise wird ein Lichtimpuls und/oder eine elektromagnetische Welle auf das Koppelelement zum Erzeugen des mindestens einen Plasmon, insbesondere Oberflächenplasmon und/oder Oberflächenplasmon-Polariton, fokussiert. Der Lichtimpuls und/oder die elektromagnetische Welle wird von einer Lichtquelle, insbesondere einem Laser, bereitgestellt. Das erzeugte und/oder angeregte Plasmon wird in Richtung der Nanospitze fokussiert. Insbesondere aufgrund der Asymmetrie der metallischen Struktur, vorzugsweise in Bezug auf den Einfallswinkel des Lichtimpulses und/oder der elektromagnetischen Welle auf die Oberfläche der metallischen Struktur und/oder des Koppelelementes, Saufen die erzeugten und/oder angeregten Plasmonen in Richtung der Nanospitze. Hierbei wird das mindestens eine Plasmon und/oder werden mehrere Plasmonen in einem nanometergroßen Volumen der Nanospitze fokussiert. Vorzugsweise wird ein elektrisches Feld im Bereich der Nanospitze aufgrund der Fokussierung des Plasmons und/oder der Plasmonen verstärkt. Aufgrund der Fokussierung des Plasmons und/oder der Plasmonen, insbesondere aufgrund der Verstärkung des elektrischen Feldes im Bereich der Nanospitze, können Elektronen von der Nanospitze ausgelöst und/oder abgelöst werden.
Vorzugsweise wird ein Lichtimpuls und/oder eine elektromagnetische Welle einer Lichtquelle auf einen Fokusdurchmesser, insbesondere mittels einer Linse, einem Linsensystem und/oder einer Reflexionsoptik, fokussiert, der zumindest im Wesentlichen den Ausmaßen und/oder der Fläche des Koppelelementes entspricht. Hierdurch sind Energieverluste bei der Umwandlung der elektromag netischen Welle in ein Plasmon reduzierbar. Dies ermöglicht den Einsatz einer Lichtquelle mit eine geringeren Leistung. Vorzugsweise erfolgt die Fokussierung und/oder Justierung des Lichtimpulses, der elektromagnetischen Welle, des Fokusdurchmessers und/oder der Lichtquelle im Bezug zu einer Mittelachse der metallischen Struktur. Insbesondere erfolgt die Einstrahlung des Lichtimpulses und/oder der elektromagnetischen Welle auf das Koppelelement schräg zur Oberfläche der metallischen Struktur und/oder des Koppelelementes. Vorzugsweise erfolgt die Einstrahlung des Lichtimpulses und/oder der elektromagnetischen Welle mit einem Einfallswinkel zur Oberfläche, der dem halben Öffnungswinkel der metallischen Struktur und/oder der Nanospitze entspricht. Insbesondere wird ein Lichtimpuls und/oder eine elektromagnetische Welle mit einer Zeitauflösung und/oder Zeitdauer von weniger als 100 fs, weniger als 50 fs oder weniger als 20 fs verwendet. Besonders bevorzugt liegt die Zeitauflösung und/oder die Zeitdauer im Bereich von 15 fs, 10 fs oder weniger. Vorzugsweise ist eine Zeitauflösung und/oder Zeitdauer des Lichtimpulses und/oder des Elektronenimpulses von weniger als 15fs oder weniger als 10 fs realisierbar. Somit ermöglicht die erfindungsgemäße Elektronenquelle eine sehr hohe zeitliche Auflösung.
Vorzugsweise hat der Lichtimpuls und/oder die elektromagnetische Welle zum Anregen des mindestens einen Plasmons und/oder von mehreren Plasmonen eine, insbesondere mittlere, Wellenlänge im Bereich von 0,3 μηι bis 20 pm, vorzugsweise im Bereich von 1.200 nm bis 2.000 nm. Insbesondere hat der Lichtimpuls und/oder die elektromagnetische Welle eine, vorzugsweise mittlere, Wellenlänge von 1.600 Nanometern. Bei einer Nanospitze aus Gold kann die Wellenlänge im Bereich von 0,6 μηι bis 20 pm liegen. Bei Materialien, die im ultravioletten Spektralbereich reflektieren, insbesondere bei Silber, kann die Wellenlänge im Bereich von 0,3 pm bis 20 pm liegen. Der Lichtimpuls und/oder die elektromagnetische Welle kann eine Energie von weniger als 50 Pikojoule aufweisen. Ein Elektron kann an der Nanospitze aufgrund einer Mehr-Photonen-Anregung abgelöst und/oder ausgelöst werden. Insbesondere ist ein unerwünschtes Ablösen und/oder Auslösen von Elektronen aufgrund einer beispielsweise Ein-Photonen- Anregung im Bereich der metallischen Struktur und außerhalb der Nanospitze vermieden. Besonders bevorzugt wird ein Elektron an der Nanospitze aufgrund einer, insbesondere im Mittel, 7-Photonen-Anregung abgelöst und/oder ausgelöst. Insbesondere ist die Wellenlänge der Lichtquelle derart gewählt, dass eine EinPhotonen-Anregung vermieden ist. Vorzugsweise wird eine Wellenlänge von 1.600 nm für die Lichtquelle, den Lichtimpuls und/oder die elektromagnetische Wellen verwendet, bei der im Mittel 7 Photonen zur Überwindung der Austrittsarbeit für ein Elektron notwendig sind.
Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Elektronenquelle wird eine Anode zum Zusammenwirken mit der Kathode bereit gestellt. Insbesondere wird die metallische Struktur aus einem polykristallinen Material und/oder einem Draht, insbesondere einem Golddraht, hergestellt.
Vorzugsweise wird das Material der metallischen Struktur in einer vorgegebenen Zeitdauer zum Auflösen von Korngrenzen erhitzt. Insbesondere wird das Material der metallischen Struktur auf eine Temperatur von mindestens 500 "Celsius oder 800° Celsius erhitzt. Das Materia! der metallischen Struktur kann in einer vorgegebenen Zeitdauer in einem erhitzten Zustand gehalten und/oder in einer vorgegebenen Zeitdauer auf Umgebungstemperatur abgekühlt. Die vorgegebene Zeitdauer kann mindestens 6 Stunden oder genau 8 Stunden betragen.
Somit kann das Material der metallischen Struktur und/oder der Nanospitze zunächst innerhalb von beispielsweise 8 Stunden auf eine Temperatur von 800° Celsius erhitzt werden. Anschließend kann das erhitzte Material für eine Dauer von weiteren 8 Stunden auf einer Temperatur von 800° Celsius gehalten werden. Daran anschließend kann das Material der metallischen Struktur und/oder der Nanospitze über eine Zeitdauer von 8 Stunden auf Umgebungstemperatur abgekühlt werden. Durch dieses Verfahren wird das Material entspannt. Insbesondere werden größere Kornstrukturen gebildet. Vorzugsweise ist die metallische Struktur und/oder die Nanospitze annähernd einkristallin ausbildbar. Insbesondere wird das Material der metallischen Struktur und/oder der Nanospitze zum Auflösen von Korngrenzen im Bereich der sich verjüngenden metallischen Struktur und/oder der Nanospitze, insbesondere in einem Bereich zwischen dem Koppelelement und der Nanospitze, erhitzt. Gemäß einer Weiterbildung wird die sich verjüngende, insbesondere konische und/oder kegelförmige, Gestalt der metallischen Struktur und/oder die Nanospitze mittels Ätzen in einer Säure hergestellt. Hierbei kann das Ätzen elektrochemisch erfolgen. Als Säure kann eine Salzsäure, insbesondere eine 37-prozentige Lösung, verwendet werden. Insbesondere wird zum Ausbilden der sich verjüngenden metallischen Struktur und/oder der Nanospitze ein Draht, vorzugsweise ein Golddraht, zentriert in einer Öffnung eines Platinrings und/oder in einer vorgegebenen Tiefe in die Säure eingetaucht. Hierbei kann der Draht 20 pm bis 100 pm, vorzugsweise 50 pm, tief in die Säure eingetaucht werden. Der Platinring kann als Gegenelektrode für den Draht dienen. Zum Durchführen des elektrochemischen Ätzprozesses kann eine Spannung an den Draht und den Platinring angelegt werden. Insbesondere wird die sich verjüngende metallische Struktur und/oder die Nanospitze an einem freien Ende eines Drahtes hergestellt. Aufgrund des Eintauchens des freien Endes des Drahtes kriecht die Säure aufgrund von Kapillarkräften ein Stück weit an dem Draht hoch, wobei die Säure nach einem hinreichenden Materialabtrag von der metallischen Struktur und/oder der Nanospitze abreißt. Aufgrund des Materialabtrages ist die sich verjüngende, konische und/oder kegelförmige Gestalt der metallischen Struktur und/oder der Nanospitze herstellbar.
Vorzugsweise wird das Koppelelement beabstandet von der Nanospitze auf der Oberfläche der sich verjüngenden metallischen Struktur aufgebracht. Hierbei kann das Koppelelement, insbesondere in der Gestalt eines Gitterkopplers, mittels lonenstrahllithografie und/oder FIB (engl.: Focussed Ion Beam milling) aufgebracht werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist ein Detektorsystem zum Detektieren von Elektronen vorgesehen. Mittels des Detektorsystems können die eine Probe abbildenden Elektronen erfasst werden. Insbesondere lässt sich mittels des Detektorsystems eine räumliche Position eines Elektrons bei einem Auftreffen auf das Detektorsystem bestimmen. Vorzugsweise weist das Detektorsystem eine Erfassungseinrichtung zum Bestimmen einer kinetischen Energie der Elektronen auf. Somit kann mittels der Erfassungseinrichtung die kinetische Energie der Elektronen beim Auftreffen auf das Detektorsystem erfasst werden. Insbesondere ermöglicht das Detektorsystem sowohl eine Untersuchung und/oder Bestimmung des Ortes als auch einer kinetischen Energie und/oder Geschwindigkeit der erfassten Elektronen. Die Erfassungseinrichtung kann einen Delay-Line-Detektor aufweisen. Insbesondere ist die Erfassungseinrichtung als ein Delay-Line-Detektor ausgebildet. Die Erfassungseinrichtung und/oder der Delay-Line-Detektor kann in Kombination mit mindestens einer Mikrokanalplatte angeordnet sein. Die Verwendung von einer oder mehreren Mikrokanalplatten, insbesondere mit schräg zur Plattenebene verlaufenden Kanälen, ist aus üblichen Detektorsystemen bekannt. Bei üblichen Detektorsystemen werden derartige Mikrokanalplatten in Kombination mit einem Phosphorschirm benutzt. Hierbei dient der Phosphorschirm zur Darstellung der auftreffenden Elektronen bzw. der entstehenden Elektronenflecken. Anstelle des Phosphorschirms kann ein Delay- Line-Detektor vorhanden sein. Die Lebensdauer der Elektronenquelle, insbesondere der metallischen Struktur und/oder der Nanospitze, kann durch eine Verbesserung des Vakuums optimiert werden. Beispielsweise kann anstelle einer Turbo-Pumpe zum Erzeugen des Vakuums eine lonengetterpumpe eingesetzt werden, wodurch das Vakuum verbessert wird. Des Weiteren ist von Vorteil, wenn die mechanische Stabilität des Aufbaus der Elektronenquelle, insbesondere eines Elektronenmikroskops, erhöht wird. Beispielsweise kann die mechanische Stabilität mittels einer kompakteren Bauweise erhöht werden. Die mechanische Stabilität im Bereich der Energiequelle und/oder der Probe kann erhöht werden, indem eine Fokussierung des ersten Lichtstrahls und/oder des weiteren Lichtstrahls außerhalb der Vakuumkammer vorgenommen wird. Insbesondere kann eine Linse, ein Linsensystem und/oder eine Reflexionsoptik außerhalb der Vakuumkammer angeordnet sein. Hierdurch kann die Zahl von Gegenständen innerhalb der Vakuumkammer minimiert werden. Beispielsweise kann die Zahl motorisierter Verfahrtische in der Vakuumkammer reduziert werden. Dies kann zudem auch zu einer Reduzierung der Kosten führen. Ebenfalls von Vorteil ist eine schwingungsgedämpfte Aufhängung der Elektronenquelle, insbesondere der metallischen Struktur und/oder Nanospitze. Zusätzlich oder alternativ kann auch die Probe schwingungsgedämpft aufgehängt sein. Aufgrund der schwingungsgedämpften Aufhängung können Vibrationen minimiert werden. Hierdurch kann die räumliche und/oder zeitliche Auflösung bei der Verwendung der Elektronenquelle in einem Elektronenmikroskop zur Untersuchung einer Probe verbessert werden. Schließlich kann die Elektronenquelle, die metallische Struktur und/oder die Nanospitze von einer Abschirmung, insbesondere aus magnetisch hoch permeablem Metall, umgeben sein. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um eine passive Abschirmung. Beispielsweise kann die Vakuumkammer aus einem entsprechenden Material gebildet sein. Aufgrund einer solchen Abschirmung kann eine Beeinflussung der Elektronen in ihrer Ausbreitung durch externe, insbesondere elektromagnetische, Felder reduziert oder verhindert werden. Beispielsweise kann ein sogenanntes Mu-Metall eingesetzt werden.
Vorzugsweise ist der Elektronenstrahl als ein Elektronenpuls ausgebildet. Insbesondere ist im Rahmen der vorliegenden Anmeldung der Begriff Elektronenimpuls als gleichbedeutend mit dem Begriff Elektronenpuls zu verstehen bzw. definiert. Des Weiteren kann im Rahmen der vorliegenden Anmeldung der Begriff Lichtimpuls als gleichbedeutend mit dem Begriff Lichtpuls verstanden werden bzw. definiert sein. Somit kann im Rahmen der vorliegenden Anmeldung der Begriff Elektronenimpuls durch Elektronenpuls und/oder der Begriff Lichtimpuls durch Lichtpuls ersetzt werden.
Von besonderem Vorteil ist eine Verwendung einer erfindungsgemäßen Elektronenquelle in einem Elektronenmikroskop, insbesondere in einem ultraschnellen Elektronenmikroskop, in einem Punktprojektionsmikroskop, in einem Rastertunnelmikroskop, einem Transmissionselektronenmikroskop, in einem Raster- Photostrom-Mikroskop und/oder zu zeitaufgelösten Abbildung von Strömen und/oder elektromagnetischen Feldern in Materialen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Elektronenquelle.
Fig. 2 ein schematisches Ablaufdiagramm für ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Erzeugen eines Elektronenstrahls mit einer Elektronenquelle gemäß Fig. 1 , und
Fig.3 ein schematisches Abiaufdiagramm für ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen einer Elektronenquelle gemäß Fig. 1.
Fig. 1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Elektronenquelle 0. Die Elektronenquelle 10 weist eine Kathode 11 und eine Anode 12 auf. Die Kathode 11 und die Anode 12 sind mit einer Spannungsquelle 13 verbunden. Die Kathode 1 1 und die Anode 12 sind voneinander beabstandet, wobei aufgrund der angelegten Spannungsquelle 13 zwischen der Kathode 11 und der Anode 12 ein hier nicht näher dargestelltes elektrisches Feld erzeugbar ist.
Die Kathode 1 1 weist eine sich verjüngende metallische Struktur 14 auf. Die sich verjüngende metallische Struktur 14 hat eine kegelförmige Gestalt mit einer Nanospitze 15. Die Nanospitze 15 weist ein nanometergroßes Volumen auf und ist der Anode 12 zugewandt. Bei diesem Ausführungsbeispiel hat die Nanospitze 15 einen Öffnungswinkel von 30° und die Nanospitze hat einen Spitzenradius von 12 nm. Zwischen der Kathode 11 und der Anode 12 kann unmittelbar vor der Nanospitze 15 eine hier nicht näher dargestellte Probe angeordnet sein.
Beabstandet von der Nanospitze 15 weist die sich verjüngende metallische Struktur 14 ein Koppelelement 16 auf. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Koppelelement 16 etwa 50 pm von der Nanospitze 15 beabstandet. Das Koppelelement 16 ist als ein Gitterkoppler ausgebildet und auf eine Oberfläche 21 der sich verjüngenden metallischen Struktur 14 aufgebracht. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist der schematisch dargestellte Gitterkoppler 16 vier Gitterlinien 17 auf. Für eine bessere Übersichtlichkeit sind nicht alle Gitterlinien 17 mit einem Bezugszeichen versehen. Alternativ können auch mehr Gitterlinien 17, insbesondere sieben Gitterlinien 17, vorgesehen sein. Das Koppelelement 16 dient zum Anregen von Oberflächenplasmonen an der Oberfläche 21 der sich verjüngenden metallischen Struktur 14 aufgrund eines auf das Koppelelement 16 eingestrahlten Lichtimpulses und/oder einer elektromagnetischen Welle 19. Die Elektronenquelle 10 hat eine Lichtquelle 18, wobei die Lichtquelle 18 bei diesem Ausführungsbeispiel als ein Laser ausgebildet ist. Die Lichtquelle 18 ist derart angeordnet, dass ein Lichtimpuls und/oder eine elektromagnetische Welle 19 auf das Koppelelement 16 ausgerichtet ist. Eine Achse des Lichtimpulses und/oder der elektromagnetischen Welle 19 ist bei diesem Ausführungsbeispiel in Bezug auf eine Mittelachse 20 der metallischen Struktur 14 ausgerichtet. Hier ist die Mittelachse 20 schematisch als eine gestrichelte Linie angedeutet. Des Weiteren ist der Lichtimpuls und/oder die elektromagnetische Welle bei diesem Ausführungsbeispiel schräg zu der Oberfläche 21 der metallischen Struktur 14 bzw. des Koppelelementes 16 ausgerichtet.
Zum Fokussieren des Lichtimpulses und/oder der elektromagnetischen Welle 19 ist eine Linse 22 zwischen der Lichtquelle 18 und dem Koppelelement 16 angeordnet. An Stelle einer einzelnen Linse 22 kann ein Linsensystem oder eine Reflexionsoptik vorgesehen sein. Die Linse 22 ist in einem Strahlengang für den Lichtimpuls und/oder die elektromagnetische Welle 19 der Lichtquelle 18 positioniert.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die metallische Struktur 14 innerhalb einer Vakuumkammer 23 angeordnet. Auch die Anode 12 ist bei diesem Beispiel innerhalb der Vakuumkammer 23 positioniert. In einer Wand der Vakuumkammer 23 ist ein Fensterelement 24 angeordnet. Außerhalb der Vakuumkammer 23 ist die Lichtquelle 18, wobei der Lichtimpuls und/oder die elektromagnetische Welle 19 durch das Fensterelement 24 in das Innere der Vakuumkammer 23 und zum Koppelelement 16 gelangen kann. Die Linse 22 ist innerhalb der Vakuumkammer 23 angeordnet. Alternativ kann die Linse 22 außerhalb der Vakuumkammer 23 sein. In einer weiteren Alternative kann die Lichtquelle 18 innerhalb der Vakuumkammer 23 positioniert sein, wobei dann das Fensterelement 24 verzichtbar ist.
Fig. 2 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm für ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Erzeugen eines Elektronenstrahls mit einer Elektronenquelle 10 gemäß Figur 1. Nach dem Start gemäß Schritt S10 wird entsprechend Schritt S11 eine Spannung mittels der Spannungsquelle 13 an die Kathode 11 und die Anode 12 angelegt. Aufgrund der angelegten Spannung wird ein elektrisches Feld zwischen der metallischen Struktur 14 und der Anode 12 gebildet.
Gemäß Schritt S12 wird das Koppelelement 16 mit einem Lichtimpuls 19 beleuchtet. Mindestens ein Teil der auf das Kopplungselement 16 auftreffenden Energie wird in ein Oberflächenplasmon-Polariton gekoppelt. Sodann erfolgt gemäß Schritt S13 eine Nanofokussierung des mindestens einen erzeugten Plasmons. Das erzeugte Plasmon läuft entlang der Oberfläche 21 von dem Koppelelement 16 in Richtung der Nanospitze 15. Hierbei zieht sich das Plasmon bei der Annäherung an die Nanospitze 15 räumlich zusammen und verlangsamt sich, bis es in einem nanometergroßen Volumen der Nanospitze 15 konzentriert ist. Hierbei wird eine Feldstärke im Bereich der Nanospitze 15 von einigen V/nm erreicht. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden im Bereich der Nanospitze 15 etwa 7 V/nm erreicht. Des Weiteren ergibt sich an der Nanospitze 15 aufgrund der Nanofokussierung des mindestens einen Plasmons eine Verstärkung des elektrischen Feldes. Aufgrund dieser Plasmon induzierten Verstärkung des elektrischen Feldes an der Nanospitze 15 werden Elektronen von der Nanospitze 15 abgelöst, wodurch gemäß Schritt S14 ein Elektronenimpuls erzeugt wird. Die somit freien Elektronen werden durch die angelegte Spannung von der Nanospitze 15 in Richtung der Anode 12 weg beschleunigt. Das Verfahren zum Erzeugen des Elektronenstrahls und/oder Elektronenimpulses endet gemäß Schritt S15.
Fig. 3 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm für ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen einer Elektronenquelle 10 gemäß Fig. 1. Das Herstellungsverfahren startet gemäß Schritt S20, wobei gemäß diesem Ausführungsbeispiel entsprechend Schritt S21 ein Golddraht bereitgestellt wird. Hier weist der Golddraht beispielhaft einen Durchmesser von 125 μηι und eine Länge von 10 mm auf. Der Golddraht wird gemäß Schritt S22 erhitzt. Hierzu wird der Golddraht zunächst über einen Zeitraum von 8 Stunden auf eine Temperatur von 800° Celsius erhitzt, anschließend für eine Zeitraum von 8 Stunden auf einer Temperatur von 800° Celsius gehalten und ausgeglüht, um sodann über einen Zeitraum von erneut 8 Stunden auf Umgebungstemperatur abgekühlt zu werden. Aufgrund der Erhitzung gemäß Schritt S22 wird das Material entspannt und Korngrenzen aufgelöst.
Anschließend erfolgt gemäß Schritt S23 ein Ätzen einer kegelförmigen Struktur inklusive einer Nanospitze 15. Bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgt ein elektrochemisches Ätzen in einer 37-prozentigen Salzsäurelösung mit einem Platinring als Gegenelektrode zu dem Golddraht. Ein freies Endes des Golddrahtes wird zentriert in eine Öffnung des Platinringes etwas 50 pm tief in die Salzsäure eingetaucht. Aufgrund der wirkenden Kapillarkräfte kriecht die Säure ein Stück weit den Draht hoch. Aufgrund der angelegten Spannung zwischen dem Draht und dem Platinring wird ein Materialabtrag an dem Draht realisiert. Der Materialabtrag endet in dem Moment, in dem der Säurefilm von der durch den Materialabtrag erzeugten und sich verjüngenden metallischen Struktur 14 mit der Nanospitze 15 abreißt. Anschließend wird gemäß Schritt S24 ein Koppelelement 16 auf der Oberfläche 21 der metallischen Struktur 14 aufgebracht. Hierbei wird das Koppelelement 16 beabstandet von der Nanospitze 15 an der metallischen Struktur 14 hergestellt. Die Herstellung des Koppelelementes erfolgt bei diesem Ausführungsbeispiel mittels einer lonenstrahllithografie. Sodann wird eine Kathoden-Anoden-Anordnung gemäß Schritt S25 bereitgestellt. Hierzu wird die metallische Struktur 14 als Kathode und eine separate Anode 12 an eine Spannungsquelle 13 angeschlossen. Schließlich wird eine Lichtquelle 18 zum Abgeben eines Lichtimpulses und/oder einer elektromagnetischen Welle 19 bereitgestellt und/oder justiert. Hierbei wird der Lichtimpuls und/oder die elektromagnetische Welle 19 beispielsweise mittels der Linse 22 derart fokussiert, dass der Fokusdurchmesser im Wesentlichen die Fläche des Koppelelementes 16 abdeckt. Sodann ist das Herstellungsverfahren gemäß dem Schritt S27 beendet.
B e z u a s z e i c h e n l i s t e :
Elektronenquelle
Kathode
Anode
Spannungsquelle
Metallische Struktur
Nanospitze
Koppeielement
Gitterlinie
Lichtquelle
Elektromagnetische Welle
Mittelachse
Oberfläche
Linse
Vakuumkammer
Fensterelement

Claims

P_a t e n t a n s p r ü c h e - Elektronenquelle zum Erzeugen eines Elektronenstrahls, mit einer Kathode (11 ), dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (11 ) eine sich verjüngende metallische Struktur (14) aufweist und die metallische Struktur (14) eine Nanospitze (15) zum Fokussieren von mindestens einem Plasmon und zum Abgeben von Elektronen hat, wobei die metallische Struktur (14) beabstandet von der Nanospitze (15) ein Koppelelement (16) zum Anregen des Plasmon mittels einer elektromagnetischen Welle (19) hat.
Elektronenquelle nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Struktur (14) und/oder die Nanospitze (15) konusartig und/oder kegelartig ausgebildet ist, insbesondere ist die metallische Struktur (14) aus Gold oder Silber gebildet, vorzugsweise hat die metallische Struktur (14) und/oder die Nanospitze (15) einen Öffnungswinkel im Bereich von 10° bis 40°, insbesondere im Bereich von 20° bis 30°.
Elektronenquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanospitze (15) und/oder mindestens ein Bereich der metallischen Struktur (14) vom Koppelelement (16) bis zur Nanospitze (15) frei von Verunreinigungen und/oder frei von Korngrenzen ist, vorzugsweise hat die Nanospitze (15) einen Spitzenradius kleiner als 20 nm, insbesondere kleiner als 15 nm oder kleiner als 12 nm, vorzugsweise im Bereich von 5 nm bis 12 nm.
Elektronenquellen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement (16) als ein Gitterkoppler ausgebildet ist, insbesondere hat der Gitterkoppler bis zu 15 oder genau 7 Gitterlinien, vorzugsweise weisen die Gitterlinien eine Breite im Bereich von 600 nm bis 1.000 nm und/oder eine Tiefe im Bereich von 200 nm bis 600 nm auf, vorzugsweise hat der Gitterkoppler eine Gitterkonstante im Bereich von 1.200 nm bis 3.000 nm, insbesondere im Bereich von 1.500 nm bis 2.500 nm, besonders bevorzugt von 1.600 nm oder 2.000 nm.
Elektronenquellen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand des Koppelelementes (16) von der Nanospitze (15) größer ist als ein Fokusdurchmesser einer Lichtquelle (18) zum Bestrahlen des Koppelelementes (16), insbesondere ist der Abstand zwischen dem Koppelelement (16) und der Nanospitze (15) größer als 10 pm oder 20 μηι, vorzugsweise im Bereich von 10 pm bis 200 pm, besonders bevorzugt beträgt der Abstand zwischen dem Koppelelement (16) und der Nanospitze (15) 50 pm.
Elektronenquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Struktur (14) innerhalb einer Vakuumkammer (23) angeordnet ist, vorzugsweise ist eine Lichtquelle (18), insbesondere ein Laser, zum Bestrahlen des Koppelelementes (16) außerhalb der Vakuumkammer (23) angeordnet, wobei die elektromagnetische Welle (19) der Lichtquelle (18) dem Koppelelement (16) durch ein Fensterelement (24) der Vakuumkammer (23) zuführbar ist.
Verfahren zum Erzeugen eines Elektronenstrahls mit einer Elektronenqueile (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine mittels des mindestens einen Plasmons induzierte Elektronenemission erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spannung einer Spannungsquelle (13) an die Kathode (11 ) angelegt wird, insbesondere wird die Spannung an die Kathode (1 1 ) und an eine Anode (12) zum Erzeugen eines elektrischen Feldes zwischen Kathode (11 ) und Anode (12) angelegt, vorzugsweise wird ein Lichtimpuls und/oder eine elektromagnetische Welle (19) auf das Koppelelement (16) zum Erzeugen von mindestens einem Plasmon, insbesondere Oberflächenplasmon und/oder Oberflächenplasmon-Polariton, fokussiert, insbesondere wird das Plasmon in Richtung der Nanospitze (15) fokussiert, vorzugsweise wird ein elektrisches Feld im Bereich der Nanospitze (15) aufgrund der Fokussierung des Plasmon verstärkt und/oder Elektronen werden von der Nanospitze (15) abgelöst.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lichtimpuls und/oder eine elektromagnetische Welle (19) einer Lichtquelle (23) auf einen Fokusdurchmesser fokussiert wird, der im Wesentlichen den Ausmaßen des Koppelelementes (16) entspricht, vorzugsweise erfolgt die Fokussierung und/oder Justierung des Lichtimpulses, der elektromagnetischen Welle (19) und/oder der Lichtquelle (23) in Bezug zu einer Mittelachse (20) der metallischen Struktur (14), insbesondere wird ein Lichtimpuls und/oder eine elektromagnetische Welle (19) mit einer Zeitauflösung von weniger als 100 fs, weniger als 50 fs oder weniger als 20 fs verwendet, besonders bevorzugt liegt die Zeitauflösung im Bereich von 15 fs, 10 fs oder weniger.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtimpuls und/oder die elektromagnetische Welle (19) zum Anregen des mindestens einen Plasmon eine, insbesondere mittlere, Wellenlänge im Bereich 0,3 pm bis 20 pm, vorzugsweise von 1.200 nm bis 2.000 nm, insbesondere von 1.600 nm, und/oder eine Energie von weniger als 500 pJ hat, vorzugsweise wird an der Nanospitze (15) ein Elektron aufgrund einer Mehr-Photonen-Anregung abgelöst, besonders bevorzugt wird ein Elektron an der Nanospitze (15) aufgrund einer, insbesondere im Mittel, 7- Photonen-Anregung abgelöst.
11. Verfahren zum Herstellen einer Elektronenquelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem eine sich verjüngende metallische Struktur (14) als eine Kathode (1 1 ), bereit gestellt wird, bei dem eine Nanospitze (15) an der metallischen Struktur (14) zum Fokussieren von Plasmonen und Abgeben von Elektronen hergestellt wird, und bei dem ein Koppelelement (16) zum Anregen der Plasmonen mittels einer elektromagnetischen Welle (19) in einen Oberflächenbereich der metallischen Struktur (14) eingebracht wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Struktur (14) aus einem polykristalinen Material und/oder Draht, insbesondere einem Golddraht, hergestellt wird, vorzugsweise wird das Material der metallischen Struktur (14) zum Auflösen von Komgrenzen und/oder in einer vorgegeben Zeitdauer auf eine Temperatur von mindestens 500°C oder 800°C erhitzt, in einer vorgegebenen Zeitdauer in einem erhitzten Zustand gehalten und/oder in einer vorgegebenen Zeitdauer auf Umgebungstemperatur abgekühlt, insbesondere beträgt die vorgegebene Zeitdauer mindestens 6 Stunden oder genau 8 Stunden.
13. Verfahren nach Anspruch 1 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die sich verjüngende, insbesondere konische oder kegelförmige, Gestalt der metallischen Struktur (14) und/oder die Nanospitze (15) mittels Ätzen in einer Säure hergestellt wird, insbesondere wird ein Draht zentriert in einem Platinring 20 pm bis 100 pm, vorzugsweise 50 pm, tief in die Säure eingetaucht und eine Spannung an den Draht und den Platinring angelegt, insbesondere kriecht die Säure aufgrund von Kappilarkräften an dem Draht hoch und die Säure reißt nach einem hinreichenden Materiaiabtrag von der metallischen Struktur (14) und/oder der Nanospitze (15) ab.
14. Verwendung einer Elektronenquelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und/oder eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 7 bis 10 in einem
Elektronenmikroskop, in einem ultraschnellen Elektronenmikroskop, in einem Punktprojektionsmikroskop, in einem Rastertunnelmikroskop, in einem Raster- Photostrom-Mikroskop und/oder zu zeitaufgelösten Abbildung von Strömen und/oder elektromagnetischen Feldern in Materialen.
PCT/EP2016/062649 2015-06-05 2016-06-03 Elektronenquelle und verfahren zum erzeugen eines elektronenstrahls sowie ein verfahren zum herstellen einer solchen elektronenquelle WO2016193427A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102015108893.2 2015-06-05
DE102015108893.2A DE102015108893B3 (de) 2015-06-05 2015-06-05 Elektronenquelle und Verfahren zum Erzeugen eines Elektronenstrahls, Verfahren zum Herstellen einer solchen Elektronenquelle sowie deren Verwendung

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2016193427A1 true WO2016193427A1 (de) 2016-12-08

Family

ID=55135082

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2016/062649 WO2016193427A1 (de) 2015-06-05 2016-06-03 Elektronenquelle und verfahren zum erzeugen eines elektronenstrahls sowie ein verfahren zum herstellen einer solchen elektronenquelle

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102015108893B3 (de)
WO (1) WO2016193427A1 (de)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016110301B3 (de) * 2016-06-03 2016-11-17 Carl Von Ossietzky Universität Oldenburg Verfahren zum Erzeugen eines Elektronenstrahls und/oder Elektronenpulses sowie eine Elektronenquelle und deren Verwendung

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030151352A1 (en) * 2002-01-15 2003-08-14 Kabushiki Kaisha Y.Y.L. Field emitting apparatus and method
US20120223245A1 (en) * 2011-03-01 2012-09-06 John Bennett Electron beam source system and method
US20130319514A1 (en) * 2007-11-06 2013-12-05 Pacific Integrated Energy, Inc. Photon induced enhanced field electron emission collector
DE112013001852T5 (de) 2012-04-27 2015-01-15 Hitachi High-Technologies Corporation Rasterelektronenmikroskop

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010070837A1 (ja) * 2008-12-16 2010-06-24 株式会社日立ハイテクノロジーズ 電子線装置およびそれを用いた電子線応用装置
US8429761B2 (en) * 2009-09-18 2013-04-23 California Institute Of Technology Photon induced near field electron microscope and biological imaging system

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030151352A1 (en) * 2002-01-15 2003-08-14 Kabushiki Kaisha Y.Y.L. Field emitting apparatus and method
US20130319514A1 (en) * 2007-11-06 2013-12-05 Pacific Integrated Energy, Inc. Photon induced enhanced field electron emission collector
US20120223245A1 (en) * 2011-03-01 2012-09-06 John Bennett Electron beam source system and method
DE112013001852T5 (de) 2012-04-27 2015-01-15 Hitachi High-Technologies Corporation Rasterelektronenmikroskop

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CATALIN C. NEACSU ET AL: "Near-Field Localization in Plasmonic Superfocusing: A Nanoemitter on a Tip", NANO LETTERS, vol. 10, no. 2, 10 February 2010 (2010-02-10), pages 592 - 596, XP055029135, ISSN: 1530-6984, DOI: 10.1021/nl903574a *
DOO JAE PARK ET AL: "Characterizing the optical near-field in the vicinity of a sharp metallic nanoprobe by angle-resolved electron kinetic energy spectroscopy", ANNALEN DER PHYSIK., vol. 525, no. 1-2, 1 February 2013 (2013-02-01), DE, pages 135 - 142, XP055292556, ISSN: 0003-3804, DOI: 10.1002/andp.201200216 *
SLAWA SCHMIDT ET AL: "Adiabatic Nanofocusing on Ultrasmooth Single-Crystalline Gold Tapers Creates a 10-nm-Sized Light Source with Few-Cycle Time Resolution", ACS NANO, vol. 6, no. 7, 8 June 2012 (2012-06-08), US, pages 6040 - 6048, XP055292719, ISSN: 1936-0851, DOI: 10.1021/nn301121h *

Also Published As

Publication number Publication date
DE102015108893B3 (de) 2016-02-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102008052006B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Proben für die Transmissionselektronenmikroskopie
EP2095391B1 (de) Teilchenoptische anordnung
DE112009003724B4 (de) Verwendung eines Elektronenstrahlgeräts
US8963085B2 (en) Photon induced near field electron microscope and biological imaging system
EP2667384B1 (de) Röntgenanalysegerät mit einkristalliner Röntgenblende und Verfahren zur Herstellung einer einkristallinen Röntgenblende
DE102014213775A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum laserbasierten Bearbeiten von flächigen, kristallinen Substraten, insbesondere von Halbleitersubstraten
EP2394774A2 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen nanostrukturierter Oberflächen
EP2629079A2 (de) Verfahren und Vorrichtungen zur Präparation mikroskopischer Proben mit Hilfe von gepulstem Licht
DE112010000743T5 (de) Vorrichtung für einen Strahl geladener Teilchen
DE3342531A1 (de) Verfahren und einrichtung zum erzeugen von kurz dauernden, intensiven impulsen elektromagnetischer strahlung im wellenlaengenbereich unter etwa 100 nm
DE102008060270A1 (de) Gasfeldionisations-Ionenquelle, Rasterladungsteilchenmikroskop, Einstellverfahren für die optische Achse und Probenbetrachtungsverfahren
DE102010011898A1 (de) Inspektionssystem
EP1760760A2 (de) Vorrichtung zur Erzeugung von Röntgen- oder XUV-Strahlung
DE102013102777A1 (de) Verfahren zum Herstellen eines Emitters
DE10230929A1 (de) Verfahren zum elektronenmikroskopischen Beobachten einer Halbleiteranordnung und Vorrichtung hierfür
WO2016193427A1 (de) Elektronenquelle und verfahren zum erzeugen eines elektronenstrahls sowie ein verfahren zum herstellen einer solchen elektronenquelle
DE10354787B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung einer ortsaufgelösten Lokal- und Verteilungsanalyse und zur quantitativen Bestimmung von Elementkonzentrationen
DE60033374T2 (de) Röntgenmikroskop mit einer röntgenstrahlungsquelle für weiche röntgenstrahlungen
DE102016110301B3 (de) Verfahren zum Erzeugen eines Elektronenstrahls und/oder Elektronenpulses sowie eine Elektronenquelle und deren Verwendung
DE102009022219A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung einer quantitativen ortsaufgelösten Lokal- und Verteilungsanalyse chemischer Elemente und in-situ Charakterisierung der ablatierten Oberflächenregionen
DE102008049833A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung einer quantitativen ortsaufgelösten Lokal- und Verteilunganalyse chemischer Elemente und in-situ Charakterisierung der ablatierten Oberflächenregionen
DE19705308C2 (de) Punktlichtquelle, Verfahren zu ihrer Herstellung und Nahfeldmikroskop mit einer derartigen Punktlichtquelle
DE102021119406B4 (de) Vorrichtung und verfahren zur elektronenoptischen abbildung schneller zeitabhängiger prozesse
EP3561850A1 (de) Elektronenemittierende vorrichtung und verfahren zur emission von elektronen
DE102019203493A1 (de) Verfahren zur ultrahochaufgelösten Modifikation, insbesondere zur physischen Materialabtragung oder internen Materialänderung, eines Werkstücks

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 16727184

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 16727184

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1