Secondary electron emission studied by secondary electron energy loss coincidence spectroscopy (SE2ELCS)

Abstract

Die Emission von Sekundärelektronen ist von großer Bedeutung in vielen Zweigen der Angewandten und Grundlagenphyik. Sie ist weitverbreitet in der Elektronenmikroskopie zur Untersuchung des Aufbaus und der Elektronenzustande von Festkörperoberflächen und zur Teilchendetektion in Elektronenvervielfachern. In der Regel korreliert sie auch mit dem Energieverlust von Teilchen die sich innerhalb eines Festkörper bewegen. Die Physik der Sekundärelektronenemission ist komplex, dadurch experimentell nur schwer direkt messbar und theoretisch mit befriedigender Genauigkeit zu behandeln. Das Sekundärelektronenspektrum, gemessen mit einem Single Elektronenmikroskop enthält keine detaillierten Informationen über jene Prozesse, bei denen Energieverlust zur Emission von Sekundärelektronen führt. Diese Information kann erlangt werden, wenn zwei korrelierte Elektronenpaare, die aus einem rückgestreuten Elektron mit bestimmten Energieverlust und einem daraus resultierenden, echten Sekundärelektron bestehen, in einer Koinzidenzmessung erfasst werden. Um den für die Emission der Sekundärelektronen verantwortlichen Mechanismus zu untersuchen, wurde im Rahmen dieser Doktorarbeit ein Reflexions (e,2e) Koinzidenzspektrometer namens Sekundär-Elektronen-Elektronen-Verlustenergie-Koinzidenz-Spektrometer (SE2ELCS) entwickelt, das es erlaubt, die Beziehung zwischen den Charakteristika in einem Spektrum, die durch Energieverluste als auch wahre Sekundärelektronenemissionstruktur bedingt sind/hervorgerufen werden. Die korrelierten Elektronepaare werden mit einem Hemisphärischen Analysator (HMA) und einem time of flight Analysator (TOF) gemessen unter Verwendung eines kontinuierlichen Elektronenstrahls. Die Koinzidenzzählrate wurde durch Erweiterung des effektiven Raumwinkels des TOFs erhöht und die Energieauflösung wurde durch Optimierung weiterer experimenteller Parameter verbessert. Doppelt differenzielle Koinzidenzspektren für verschiedene Materialien, und zwar für fast freie Elektronenmetalle (Al, Si), Edelmetalle (Ag, Au, Cu, W) und hochgeordneten pyrolytischen Graphit (HOPG) wurden mit dem Koinzidenz Spektrometer gemessen. Die Interpretation dieser Daten wurde mit einem semiklassischen 3-Schritte-Modell, basierend auf der linear-response-Theorie durchgeführt.<br />Mit Ausnahme von HOPG, können doppelt differenzielle Koinzidenzspektren qualitativ mit der Mehrfachstreutheorie erklärt werden, wenn die Oberflächenanregung mit großem Bedacht einberechnet wird. Die Datensätze beinhaltet neuartige Informationen über die inelastische Streuung von niederenergetischen Elektronen (~ 5 - 20 eV).<br />

Emission of secondary electrons is of importance in many branches of fundamental and applied science. It is widely applied in the electron microscope for the investigation of the structure and electronic state of solid surfaces and particle detection in electron multiplier devices, and generally it is related to the energy dissipation of energetic particles moving inside a solid. The process of secondary electron emission is a complex physical phenomenon, difficult to measure experimentally and treat theoretically with satisfactory accuracy. The secondary electron spectrum measured with single electron spectroscopy does not provide detailed information of the energy loss processes responsible for the emission of secondary electrons. This information can be accessed when two correlated electron pairs are measured in coincidence and the pair consists of a backscattered electron after a given energy loss and a resulting emitted secondary electron.<br />To investigate the mechanisms responsible for the emission of secondary electrons, a reflection (e,2e) coincidence spectrometer named Secondary Electron Electron Energy Loss Coincidence Spectrometer (SE2ELCS) has been developed in the framework of this thesis which allows one to uncover the relation between the features in the spectra which are due to energy losses and true secondary electron emission structures. The correlated electron pairs are measured with a hemispherical mirror analyzer (HMA) and a time of flight analyzer (TOF) by employing a continuous electron beam. An effort has been made to increase the coincidence count rate by increasing the effective solid angle of the TOF analyzer and optimizing the experimental parameters to get optimum energy resolution. Double differential coincidence spectra for a number of materials namely, nearly free electron metals (Al, Si), noble metals (Ag, Au, Cu, W) and highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) have been measured using this coincidence spectrometer. The interpretation of these data set is presented using a semiclassical three step model based on linear response theory of semi-infinite solids.<br />Except for HOPG, double differential coincidence spectra could be qualitatively explained by multiple scattering theory when surface excitations are accounted for with great care. The data set provide unique information on inelastic scattering of ultra-low energy electrons (~ 5-20 eV).