Elektronen in der Oberflächenanalytik - Erzeugung, Wechselwirkung mit Materie und Nachweis

Elektronen sind sehr gut geeignet, um Oberflächen zu untersuchen, denn sie dringen nicht sehr tief in Oberflächen ein und liefern deshalb oberflächensensitive Information. Elektronen kann man zum Beispiel mit einer

BRAUNschen Röhre erzeugen. Eine Kathode emittiert Elektronen, danach werden sie beschleunigt in einem elektrischen Feld und danach kann man sie mit

elektrischen oder magnetischen Feldern sehr gut ablenken oder fokussieren. Die Elektronen erhalten im elektrischen

Feld eine Energie e*U als kinetische Energie 1/2*m*v². Damit kann man leicht Geschwindigkeit v ausrechnen ausreicht Im elektrischen Feld können Elektronen sehr schnell werden; für energiereiche Elektronen müssen wir die Geschwindigkeit relativistisch berechnen. (Berücksichtigung der Massenzunahme bei Annäherung an die Lichtgeschwindigkeit) Elektronen mit einer Energie von 10 keV haben etwa 20 % der Lichtgeschwindigkeit; Elektronen mit 1 Million eV haben schon mehr als 90 % der Lichtgeschwindigkeit. Elektronen haben auch Welleneigenschaften. Nach de Broglie ist die Wellenlänge

der Materiewellen verknüpft mit dem Impuls. lambda gleich h durch m mal v Elektronen kann man auch mit Hilfe des Photoeffektes erzeugen. Man lässt Photonen auf eine Oberfläche fallen, es werden Elektronen aus dem Material herausgelöst. Folgende Energien sind dabei involviert: - die Energie die Photons (h mal nü) - die kinetische Energie des Photoelektron, welches emittiert wird (1/2 *m*v²) - die Bindungsenergie des Elektrons - die

Austrittsarbeit des Materials. Entsprechend dem Energieerhaltungssatz müssen sich die Energien in dieser Art und Weise verknüpfen. Wenn sie die Energie

des Photons kennen, die Energie des Elektrons messen, können Sie die Bindungsenergie des Elektrons im Substrat ermitteln und damit Aussagen über die chemische Struktur der Oberfläche erhalten. Der Photoeffekt kann auch genutzt werden, um Photonen nachzuweisen. Ein Photon löst ein Photoelektron aus,

(wie eben beschrieben) Durch eine spezielle geometrische Anordnung von Dynoden werden aus einen Photoelektron heraus durch mehr und mehr Sekundärelektronen eine Elektronen-Lawine, die wir sehr gut als Strom messen können.

Elektronen lassen sich hinsichtlich ihrer kinetischen Energie (also Geschwindigkeit) gut analysieren. Man setzt dafür Halbkugel-Analysatoren (CHA) oder Zylinderspiegel-Analysatoren (CMA). Die äußere Halbkugel beim CHA ist negativ geladen, die innere Halbkugel positiv geladen. So schaffen es nur Elektronen mit einer genau definierten Energie, den Austritts-Spalt zu erreichen. Zu schnelle Elektronen prallen auf die äußere Halbkugel; zu langsame Elektronen prallen auf die innere Halbkugel. Ähnlich funktioniert

auch ein Zylinderspiegel-Analysator (CMA) Wir haben hier einen negativ geladenen äußeren Zylinder und einen positiv geladenen inneren Zylinder. Ins Zentrum der Zylinder ist häufig die Elektronenkanone verbaut, so dass sich in einem Bauteil sowohl Erzeugung als auch Analyse von Elektronen kombiniert. Wenn Elektronen auf eine Oberfläche stoßen, können mehrere Effekte auftreten: Die Elektroden können elastisch gestreut werden - Die Rückstreuelektronen haben die gleiche Energie wie die Primärelektronen.

Die Elektronen können inelastisch gestreut werden. Sekundärelektronen haben einen Energieverlust erlitten. Es können Auger-Elektronen erzeugt werden. Beim Auger-Meitner-Effekt werden (analog zum Röntgen-Effekt) Elektronen-Defekte in den inneren Schalen

eines Atoms erzeugt. Elektronen aus höheren Schalen springen in die

unbesetzte Schale; die dabei frei werdende Energie wird an ein drittes Elektron abgegeben. Dieses Auger-Elektron trägt Informationen über die chemische Struktur des Atoms. Es kann Röntgenstrahlung entstehen. In Konkurrenz zum Auger-Meitner-Effekt wird hochenergetische elektromagnetische Strahlung emittiert (charakteristische Röntgenstrahlung); Bremsstrahlung und Kathodolumineszenz sind weitere Effekte.

(Zusammenfassung Elektronen als Sensoren) Elektronen besitzen sowohl