Neue Elektronenquelle zur Materialbestimmung

Jülicher Physikern ist es gelungen, die Bestimmung von Materialeigenschaften schneller und effizienter zu machen. Sie entwickelten eine spezielle Elektronenquelle, die die Vermessung von Materialoberflächen stark vereinfacht und die Dauer einer Messung von Tagen auf Minuten verkürzt.

Wie lassen sich Solarzellen effizienter machen? Wie lässt sich Sonnen- und Windenergie am besten für den späteren Bedarf speichern? Technologien für die Energiewende benötigen maßgeschneiderte Materialien, die sowohl preiswert als auch effizient sind. Ein wichtiges Werkzeug für die Suche nach diesen Materialien ist die hochauflösende Elektronen-Energieverlust-Spektroskopie, oder kurz HREELS. Bei dieser Methode wird der zu untersuchende Werkstoff mit einem Strahl von Elektronen beschossen. Die Elektronen prallen von der Oberfläche des Materials ab und verlieren dabei einen Teil ihrer Energie. Dieser Energieverlust kann gemessen werden – und erlaubt damit Rückschlüsse auf die Eigenschaften des Materials, wie etwa seine Fähigkeit Strom oder Wärme zu leiten. 

Schematische Darstellung der HREELS-Kammer mit Elektronenquelle in rot und Analysatoreingang in grün / Bildquelle: Forschungszentrum Jülich

HREELS-Messungen können allerdings sehr zeitaufwändig sein. Der wirklich interessante Teil des Energieverlusts der Elektronen ist winkelabhängig, so Dr. François Bocquet vom Jülicher Peter Grünberg Institut. Deshalb muss er aus verschiedenen Richtungen gemessen werden. Bisher war es nur möglich, einen Energieverlust für einen Winkel auf einmal zu messen. Die Messungen für eine einzelne Probe konnten einen ganzen Tag in Anspruch nehmen, unter Umständen sogar länger.

Nun haben François Bocquet und seine Kollegen eine Methode entwickelt, mit der eine Probe innerhalb von Minuten vermessen werden kann. Zwei zusätzliche Komponenten an ihrem HREELS-Instrument vereinfachen ihre Messungen. Die erste ist ein halbkugelförmiger Elektronen-Analysator, der bereits seit zehn Jahren erfolgreich in winkelauflösender Photoelektron-Spektroskopie verwendet wird. Die zweite ist eine modifizierte Elektronenquelle, angepasst an den Elektronen-Analysator, die am Institut entwickelt wurde. Diese wird mit einer eigens dafür entwickelten Software optimiert. Sie sorgt dafür, dass die Elektronen im Strahl die gewünschte kinetische Energie haben und auf einen sehr kleinen Bereich der Probe fokussiert werden. Dadurch kann der Analysator optimal genutzt werden – und ermöglicht eine gleichzeitige Messung von Energieverlusten aus verschiedenen Winkeln.

Nach François Bocquet, dessen Forschung auch von dem Impuls- und Vernetzungsfonds der Helmholtz-Gemeinschaft gefördert wird, erlauben es diese Neuerungen, nun auch Proben zu untersuchen, die für die bisherigen Methoden zu instabil oder zu empfindlich waren. Die Wissenschaftler arbeiten üblicherweise unter Vakuumbedingungen, damit die untersuchten Oberflächen nicht kontaminiert werden. Da jedoch kein Vakuum jemals perfekt ist, mussten die Messungen gewöhnlich nach wenigen Stunden gestoppt werden, um die Probe neu vorzubereiten. Das ist nun mit der schnelleren Methode nicht mehr nötig.

Originalveröffentlichung: Electron energy loss spectroscopy with parallel readout of energy and momentum, Harald Ibach, François C. Bocquet, Jessica Sforzini, Serguei Soubatch, F. Stefan Tautz. Review of Scientific Instruments, 14. März 2017, DOI: 10.1063/1.4977529.

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