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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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, Stichwort

Elektronenspektrometer).

Linsen in einem Elektronenspektrometer sind Elektronenlinsen

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 werden

(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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 impulsauflösenden

Photoelektronenspektroskopie deutlich einfacher und effizienter realisiert wird.

Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

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.

Vorteilhafterweise sind die Bauelemente in einer Kammer angeordnet, in welchem mindestens während der Messungen Flochvakuum oder Ultrahochvakuum vorhanden ist.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Ebenfalls vorteilhafterweise werden ausschließlich Elektronen mit im Wesentlichen Fermi-Energie durch das Fokussierungssystem fokussiert und detektiert.

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.

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.

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.

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.

Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn die Impulsverteilung der ausgesandten Elektronen in Abhängigkeit von ihrer kinetischen Energie als bildliche Darstellung ermittelt wird.

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.

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.

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.

Eine aufwändige Halbkugelanordnung mit Eintrittsspalt ist nicht erforderlich.

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 10 ⁷ 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.

Weiter ist erfindungsgemäß ein Fokussierungssystem vorhanden, welches aus einer Elektronenlinse und einem Detektor besteht.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Die Fokussierung der Elektronen erfolgt durch ein elektrisches Feld, welches von den zylinderförmigen Elementen der Elektronenlinse und des Detektors mit unterschiedlichen Potentialen erzeugt wird.

Die Elektronenlinse des Fokussierungssystems ist erfindungsgemäß eine Elektronenlinse, die aus drei zylinderförmigen Elementen besteht, die in Richtung der optischen Achse hintereinander angeordnet sind.

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.

Vorteilhafterweise ist der mindestens eine Detektor in der Brennebene der Elektronenlinse als Mikrokanalplatte ausgebildet.

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.

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.

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.

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.

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

Mit dem Auftreffen der Elektronen auf den Detektor wird die Impulsverteilung der ausgesandten Elektronen ermittelt..

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.

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).

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.

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.

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.

Zur Ermittlung der Impulsverteilung bei anderen kinetischen Energien als der Fermi- Energie der Elektronen ist die nachfolgende erfindungsgemäße Vorgehensweise zu realisieren.

Es wird erfindungsgemäß die Impulsverteilung der ausgesandten Elektronen bei irgendeiner anderen, niedrigeren Energie als der Fermi-Energie detektiert.

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.

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.

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.

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.

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.

Dies kann beispielsweise mittels Gittern realisiert werden.

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.

Mit dem erfindungsgemäßen Photoelektronenspektrometer kann das erfindungsgemäße Verfahren zur impulsauflösenden Photoelektronenspektroskopie realisiert werden.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Beispiel 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.

Die Elektronenaussendeprobe besteht aus TaSe2 und hat die folgende Abmessungen: 1 mm Oberflächendurchmesser und 0.2 mm Höhe.

Das Fokussierungssystem besteht aus einer Elektronenlinse und einem Detektor.

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.

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.

Die Probe ist von der Behälteröffnung 28 mm entfernt angeordnet.

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).

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:

Behälter V _G = 0 V;

erster Zylinder Vi = -16,8 V;

zweiter Zylinder V ₂ = -16,65 V;

Detektorfläche 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.

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.

Beispiel 2

Um die Impulsverteilung der Elektronen mit Energien unter der Fermi-Energie (z. B. 16,98 eV) aufzuzeichnen, werden alle negative Spannungen proportional reduziert (V _G = 0 V, Vi=-16,78 V, 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.