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Elektronenquellen & Elektronenoptik. Überblick Elektronenquellen Elektronenquellen Sekundäremission aus Festkörperoberflächen Sekundäremission aus Festkörperoberflächen.

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Präsentation zum Thema: "Elektronenquellen & Elektronenoptik. Überblick Elektronenquellen Elektronenquellen Sekundäremission aus Festkörperoberflächen Sekundäremission aus Festkörperoberflächen."—  Präsentation transkript:

1 Elektronenquellen & Elektronenoptik

2 Überblick Elektronenquellen Elektronenquellen Sekundäremission aus Festkörperoberflächen Sekundäremission aus Festkörperoberflächen Photoeffekt Photoeffekt Feldemission Feldemission Thermische Emission (Glühemission) Thermische Emission (Glühemission) Elektronenkanone Elektronenkanone Elektronenoptik Elektronenoptik Elektrostatische Linsen Elektrostatische Linsen Elektromagnetische Linsen Elektromagnetische Linsen Anwendungsbeispiele Anwendungsbeispiele Mikroskope Mikroskope Feldemissionsmikroskop Feldemissionsmikroskop Transmission Elektronenmikroskop Transmission Elektronenmikroskop Rasterelektronenmikroskop Rasterelektronenmikroskop Rastertunnel Mikroskop Rastertunnel Mikroskop Beispielbilder Beispielbilder

3 Elektronenquellen Sekundäremission aus Festkörpern Bei Beschuss von Festkörperoberflächen mit Ionen oder Elektronen werden Sekundärelektronen aus dem Festkörper gelöst Bei Beschuss von Festkörperoberflächen mit Ionen oder Elektronen werden Sekundärelektronen aus dem Festkörper gelöst Anzahl der Sekundärelektronen Anzahl der Sekundärelektronen hängt vom Einfallswinkel sowie hängt vom Einfallswinkel sowie dem Material ab dem Material ab (1) (2)

4 Elektronenquellen Photoeffekt Einfallendes Licht löst Elektronen aus dem Material Einfallendes Licht löst Elektronen aus dem Material Man unterscheidet zwischen äußeren und inneren Photoeffekt: Man unterscheidet zwischen äußeren und inneren Photoeffekt: Innerer Photoeffekt: Elektronen werden nicht aus dem Material (Kristall) entfernt sondern nur in einen leitenden Zustand angehoben Innerer Photoeffekt: Elektronen werden nicht aus dem Material (Kristall) entfernt sondern nur in einen leitenden Zustand angehoben Äußerer Photoeffekt: Elektronen werden durch UV-Licht aus dem Metall herrausgeschlagen Äußerer Photoeffekt: Elektronen werden durch UV-Licht aus dem Metall herrausgeschlagen E kin = h. v - W a E kin = h. v - W a

5 Elektronenquellen Feldemission Hohe negative Spannung erzeugt an Hohe negative Spannung erzeugt an dünner Metallspitze ein sehr starkes dünner Metallspitze ein sehr starkes elektrisches Feld (bis zu V/m ) elektrisches Feld (bis zu V/m ) Feld kippt die potentielle Energie der Feld kippt die potentielle Energie der Elektronen so stark, dass diese keine Elektronen so stark, dass diese keine Potenzialstufe sondern nur noch eine Potenzialstufe sondern nur noch eine Schwelle überwinden müssen die in Abhängigkeit von der Feldstärke niedriger und dünner wird Schwelle überwinden müssen die in Abhängigkeit von der Feldstärke niedriger und dünner wird Wenn diese Schwelle niedrig und dünn genug ist können die Elektronen diese durchtunneln Wenn diese Schwelle niedrig und dünn genug ist können die Elektronen diese durchtunneln (3)

6 Elektronenquellen Thermische Emission (Glühemission) Aufheizen des Metalls bewirkt, dass die Elektronen eine genügend große kinetische Energie haben um die Austrittsarbeit W A zu leisten. Aufheizen des Metalls bewirkt, dass die Elektronen eine genügend große kinetische Energie haben um die Austrittsarbeit W A zu leisten. Die ausgetretenen Elektronen werden meistens zu einer Anode Die ausgetretenen Elektronen werden meistens zu einer Anode hin beschleunigt hin beschleunigt W A = e U W A = e U (5)(4)

7 Elektronenkanone Heizspannung Heizwendel (Wolfram mit Bariumoxid beschichtet) Beschleunigungsspannung Durchbohrte Anode (6)

8 Elektrostatische Linsen Bestimmte Anordnung von Kondensatoren Bestimmte Anordnung von Kondensatoren Elektrisches Feld wirkt wie eine Glaslinse Elektrisches Feld wirkt wie eine Glaslinse Elektrisch leitendes Rohr wird zersägt und mit unterschiedlichen Potenzialen belegt Elektrisch leitendes Rohr wird zersägt und mit unterschiedlichen Potenzialen belegt Ist 1 < so werden die Elektronen beim durchlaufen beschleunigt, der fokussierende Ist 1 < so werden die Elektronen beim durchlaufen beschleunigt, der fokussierende Effekt ist größer als der zerstreu – Effekt ist größer als der zerstreu – ende. Man hat eine Sammellinse. ende. Man hat eine Sammellinse. Ist so ist der Effekt Ist so ist der Effekt umgekehrt und man hat eine umgekehrt und man hat eine Zerstreuungslinse Zerstreuungslinse Linse dreht bild um 180° Linse dreht bild um 180° (7)

9 Elektromagnetische Linsen Bewegte Elektronen können auch durch magnetische Felder abgelenkt werden (Drei-Finger-Regel der rechten Hand) Bewegte Elektronen können auch durch magnetische Felder abgelenkt werden (Drei-Finger-Regel der rechten Hand) Im homogenen Magnetfeld einer Spule läuft ein Elektron auf einer Schraubenlinie Im homogenen Magnetfeld einer Spule läuft ein Elektron auf einer Schraubenlinie Winkelgeschwindigkeit ist unabhängig von der Bahnrichtung Winkelgeschwindigkeit ist unabhängig von der Bahnrichtung Es schneiden sich alle Bahnen wieder auf der Feldlinie auf der die Quelle liegt Es schneiden sich alle Bahnen wieder auf der Feldlinie auf der die Quelle liegt Abbildungsmaßstab 1:1 Abbildungsmaßstab 1:1 Keine Umkehrung des Bildes Keine Umkehrung des Bildes

10 Anwendungsbeispiele Mikroskope Feldemissionsmikroskop: Feldemissionsmikroskop: Elektronen werden radial aus der Spitze emittiert und treffen auf einen Leuchtschirm und erzeugen eine Lichtblitz Elektronen werden radial aus der Spitze emittiert und treffen auf einen Leuchtschirm und erzeugen eine Lichtblitz Elektronen emittieren häufig dort wo Minima der Austrittsarbeit W A auftreten Elektronen emittieren häufig dort wo Minima der Austrittsarbeit W A auftreten Vergrößerungsfaktor: 10 7 Vergrößerungsfaktor: 10 7 Nachteil : Man kann nur Nachteil : Man kann nur den Ort der einzelnen den Ort der einzelnen Atome bestimmen nicht Atome bestimmen nicht aber die Struktur aber die Struktur (8)

11 Anwendungsbeispiele Mikroskope Transmissions-Elektronenmikroskop: Transmissions-Elektronenmikroskop: Maximale Auflösung: 0,1 nm Maximale Auflösung: 0,1 nm Elektronen werden mit bis zu 500 kV beschleunigt Elektronen werden mit bis zu 500 kV beschleunigt Mittels elektrischer Linsen wird der Elektronenstahl Mittels elektrischer Linsen wird der Elektronenstahl auf der Probe fokussiert auf der Probe fokussiert Beim durchdringen werden die Elektronen Beim durchdringen werden die Elektronen (un)-elastisch gestoßen und werden dadurch (un)-elastisch gestoßen und werden dadurch abgelenkt abgelenkt Es entsteht ein stark vergrößertes Bild auf dem Es entsteht ein stark vergrößertes Bild auf dem fluoreszierenden Schirm, dieses Bild wird dann fluoreszierenden Schirm, dieses Bild wird dann durch ein normales Mikroskop betrachtet oder durch ein normales Mikroskop betrachtet oder via Bildverabeitungsprogramm auf einen Monitor via Bildverabeitungsprogramm auf einen Monitor gebracht gebracht Nachteile: - Starke Absorbtion der Elektronen Nachteile: - Starke Absorbtion der Elektronen in der Materie daher nur bei sehr in der Materie daher nur bei sehr dünnen Proben möglich dünnen Proben möglich - Hohe Intensität des Elektronenstrahls - Hohe Intensität des Elektronenstrahls - Proben heizen sich stark auf - Proben heizen sich stark auf (9)

12 Anwendungsbeispiele Mikroskope Raster-Elektronenmikroskop: Raster-Elektronenmikroskop: Auflösungsvermögen: 0,1 nm Auflösungsvermögen: 0,1 nm Fokussierung durch elektrische Linsen Fokussierung durch elektrische Linsen Elektronenstrahl regt Atome zum leuchten an Elektronenstrahl regt Atome zum leuchten an Emittiertes Licht wird durch Bildverstärker abgebildet Emittiertes Licht wird durch Bildverstärker abgebildet Zeitprogrammierte Ablenkspannung erlaubt Rasterförmige Abtastung der Probe Zeitprogrammierte Ablenkspannung erlaubt Rasterförmige Abtastung der Probe Sekundärelektronen werden durch Abziehfeld auf Detektor abgebildet und geben Aufschluss über die Beschaffenheit der Probe an einer bestimmten Stelle Sekundärelektronen werden durch Abziehfeld auf Detektor abgebildet und geben Aufschluss über die Beschaffenheit der Probe an einer bestimmten Stelle (10)

13 Anwendungsbeispiele Mikroskope Rastertunnelmikroskop: Rastertunnelmikroskop: Auflösungsvermögen: 0,01 nm Auflösungsvermögen: 0,01 nm Basiert auf Feldemission Basiert auf Feldemission Dreidimensionaler Justiermechanismus Dreidimensionaler Justiermechanismus Abtastung der Oberfläche mittels konstantem Tunnelstrom d.h. immer gleicher Abstand von Spitze zu den Atomen. Vertikalauslenkung gibt Aufschluss über die Beschaffenheit der Oberfläche Abtastung der Oberfläche mittels konstantem Tunnelstrom d.h. immer gleicher Abstand von Spitze zu den Atomen. Vertikalauslenkung gibt Aufschluss über die Beschaffenheit der Oberfläche (11)

14 Beispielfotos verschiedener Mikroskopaufnahmen Transmissions-Elektronenmikroskop Feldemissionsmikroskop (12) (13)

15 Beispielfotos verschiedener Mikroskopaufnahmen Rastertunnelmikroskop (14)

16 Bildquellenverzeichnis Gerthsen Physik, D. Meschede, Springerverlag., Auflage 21: (3),(5) Experimentalphysik 3 Atome, Moleküle, Festkörper, Demtröder, Springerverlag, Auflage 2: (1),(2),(4),(6),(7),(8),(9),(10),(11),(12),(13),(14)


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