Techniklexikon

Elektronen-Energieanalysatoren

Laboratoriumsmethoden und -geräteAtom- und Molekülphysik, Elektronenspektrometer, Gerät zur Analyse der kinetischen Energie freier Elektronen. Alle Arten von Elektronen-Energieanalysatoren selektieren Elektronen bestimmter Energie aus und bewirken, dass nur Elektronen dieser Energie vom Detektor nachgewiesen werden. Die wichtigsten Parameter solcher Analysatoren sind die Energieauflösung und die Nachweiseffizienz. Grundsätzlich unterscheidet man zwei Typen von Analysatoren.

1) Verzögerungsfeldanalysatoren: In einem Verzögerungsfeldanalysator wird ein Elektron in einem wohldefinierten elektrostatischen Potential erzeugt und fliegt in Richtung eines Verzögerungsfeldes U_R, wie in Abb. 1a dargestellt. Ist die kinetische Energie des Elektrons höher als das Verzögerungspotential U_R, so kann das Elektron das Gitter G passieren und am Kollektor nachgewiesen werden. Durch Variation von U_R kann die Energie der nachgewiesenen Elektronen verändert werden. Das Energiespektrum der Elektronen ergibt sich dann als erste Ableitung des gemessenen Elektronenstroms. Für kleine Werte von U_R können jedoch fast alle Elektronen den Kollektor erreichen, so dass Verzögerungsfeldanalysatoren im niederenergetischen Bereich relativ unzuverlässig sind. Ausserdem wird nur die Geschwindigkeitskomponente der Elektronen in Richtung des Verzögerungsfeldes analysiert. Um eine gute Auflösung zu erreichen, muss man also sicherstellen, dass die Elektronen in Richtung des Verzögerungsfeldes fliegen. Dies kann man durch verschiedene Blendenanordnungen erreichen (Abb. 1b, c).

2) Ablenkanalysatoren basieren auf der energieabhängigen Ablenkung der Elektronen in statischen elektrischen Feldern.  Die Funktionsweise eines Ablenkanalysators wird in Abb. 2a am Beispiel des Parallelplatten-Analysators gezeigt. In einer Anordnung aus zwei Metallplatten können Elektronen durch zwei Löcher in einer der Platten ein- bzw. austreten. Zwischen den beiden Platten liegt ein für Elektronen verzögerndes Potential U_R an. Ein Elektron, das im Punkt A unter einem Winkel Q in das Feld eintritt, beschreibt eine parabolische Bahn und kann den Plattenkondensator in Punkt B verlassen, wenn für seine kinetische Energie gilt:

Durch Verändern der Spannung U_R variiert man also die Energie der Elektronen, die den Kondensator in Punkt B verlassen können. Misst man die Anzahl der in B ankommenden Elektronen, so erhält man das Energiespektrum der Elektronen. Die Auflösung dieses Analysators hängt stark davon ab, wie gross die Winkelakzeptanz DQ der Anordnung ist. Ist DQ klein, so ist die Auflösung hoch, jedoch die Nachweiseffizienz klein, da Elektronen, mit Energie E_kin, die unter einem Winkel ausserhalb des Bereichs Q ± DQ einfallen, nicht nachgewiesen werden. Für Q = 45° verschwindet dagegen die Abhängigkeit der Energie E_kin von Q in erster Ordnung; man spricht von Fokussierung erster Ordnung. Der Zylinderspiegelanalysator (Abb. 2b) ist eine Erweiterung des Parallelplattenanalysators. Die Platten werden zu Zylindern eines Zylinderkondensators, die Löcher zu Schlitzen in dem inneren Zylinder. Um dabei gute Auflösung zu erreichen, müssen die Elektronen aus einer Punktquelle kommen. Der 127°-Zylinderanalysator (Abb. 2c) ist ebenfalls fokussierend in erster Ordnung und wird typischerweise für zylinderförmige Quellvolumina eingesetzt. Der Kugelsektoranalysator (Abb. 2d) ist ein in zwei Dimensionen fokussierender Analysator und findet deshalb für punktförmige Quellvolumina Anwendung.

3) Das magnetische Elektronenenergiefilter besteht im allgemeinen aus einem magnetischen Sektorfeld. In diesem Sektorfeld, dessen Feldlinien orthogonal zur Bewegungsrichtung der Elektronen ausgerichtet sind, erfahren Elektronen eine ablenkende Kraft , die Lorentz-Kraft genannt wird. Die Lorentz-Kraft verändert lediglich die Richtung, nicht aber den Betrag des Geschwindigkeitsvektors. Der Krümmungsradius r ist gerade so gross, dass die Zentrifugalkraft gleich der Lorentz-Kraft ist. Damit ergibt sich . Durch Umstellen der Formel ergibt sich die Beziehung  . Das Produkt aus Krümmungsradius und Magnetfeldstärke ist proportional zum Impuls und damit zur Energie der Elektronen.

Die Anwendungen der beschriebenen Geräte liegen im wesentlichen in der Photoelektronenspektroskopie, wo hauptsächlich der Kugelsektoranalysator zum Einsatz kommt, sowie in der Auger-Elektronenspektroskopie. Für die AES an Oberflächen finden hauptsächlich der Zylinderspiegelanalysator und der Kugelsektoranalysator Verwendung, da es sich hier um punktförmige Quellvolumina handelt. [RK1, SW]

Elektronen-Energieanalysatoren 1: Schema eines Verzögerungsplattenanalysators. a) Elektrostatisches Verzögerungsfeld, b), c) Blendenanordnungen zur Erhöhung der Energieauflösung.

Elektronen-Energieanalysatoren 2: Schema verschiedener Ablenkanalysatoren. a) Parallelplattenanalysator, b) Zylinderspiegelanalysator, c) 127°-Analysator, d) Kugelsektoranalysator.