Elektronenquellen & Elektronenoptik

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

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

Elektronenquellen Photoeffekt Einfallendes Licht löst Elektronen aus dem Material Man unterscheidet zwischen äußeren und inneren Photoeffekt: 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 Ekin = h . v - Wa

Elektronenquellen Feldemission Hohe negative Spannung erzeugt an dünner Metallspitze ein sehr starkes elektrisches Feld (bis zu 10 11 V/m ) Feld kippt die potentielle Energie der Elektronen so stark, dass diese keine Potenzialstufe sondern nur noch eine 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“ (3)

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

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

Elektrostatische Linsen Bestimmte Anordnung von Kondensatoren Elektrisches Feld wirkt wie eine Glaslinse Elektrisch leitendes Rohr wird zersägt und mit unterschiedlichen Potenzialen belegt Ist f1 < f2 so werden die Elektronen beim durchlaufen beschleunigt , der fokussierende Effekt ist größer als der zerstreu – ende. Man hat eine Sammellinse. Ist f1 > f2 so ist der Effekt umgekehrt und man hat eine Zerstreuungslinse Linse dreht bild um 180° (7)

Elektromagnetische Linsen 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 Winkelgeschwindigkeit ist unabhängig von der Bahnrichtung Es schneiden sich alle Bahnen wieder auf der Feldlinie auf der die Quelle liegt Abbildungsmaßstab 1:1 Keine Umkehrung des Bildes

Anwendungsbeispiele Mikroskope Feldemissionsmikroskop: Elektronen werden radial aus der Spitze emittiert und treffen auf einen Leuchtschirm und erzeugen eine Lichtblitz Elektronen emittieren häufig dort wo Minima der Austrittsarbeit WA auftreten Vergrößerungsfaktor: 107 Nachteil : Man kann nur den Ort der einzelnen Atome bestimmen nicht aber die Struktur (8)

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

Anwendungsbeispiele Mikroskope Raster-Elektronenmikroskop: Auflösungsvermögen: 0,1 nm Fokussierung durch elektrische Linsen Elektronenstrahl regt Atome zum leuchten an Emittiertes Licht wird durch Bildverstärker abgebildet 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 (10)

Anwendungsbeispiele Mikroskope Rastertunnelmikroskop: Auflösungsvermögen: 0,01 nm Basiert auf Feldemission 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 (11)

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

Beispielfotos verschiedener Mikroskopaufnahmen Rastertunnelmikroskop (14)

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)