Characterisation of an electron beam ion source prototype for angle-resolved ion-induced electron emission spectroscopy

Abstract

Die Wechselwirkung von Ionen mit Materie ist seit rund 100 Jahren Gegenstand intensiver Forschung. Dennoch sind einige fundamentale Fragestellungen weiterhin ungeklärt, beispielsweise welche Mechanismen der Wechselwirkung von Ionen mit Oberflächen zugrunde liegen.Ein charakteristischer Effekt dabei ist die Emission sekundärer Elektronen, von de-nen ein erheblicher Anteil nur geringe kinetische Energien (< 10 eV) aufweisen. Bisher wurden deren Eigenschaften und insbesondere deren Winkelverteilung nur spärlich charakterisiert. Um diese genauer zu untersuchen, wird zuerst ein Prototyp einer kompakten Electron Beam Ion Source (EBIS) anhand von Ionenstrom, maximalem Ladungszustand und Strahlgröße an der TU Wien charakterisiert. Dabei wurden 50 fA von Xe33+ bei einem auf bis zu 1 mm fokussierbaren Strahldurchmesser gefunden. Daraufhin erfolgt der Transport und Anbau der EBIS an ein bestehendes Setup am „Deutschen Elektronensynchrotron“ (DESY). Dort werden an verschiedenen Proben erste Messungen an langsamen, ioneninduzierten Elektronen mit einem winkel- und energieauflösenden Detektor durchgeführt. Mehrere Messreihen liefern unterschiedliche Erkenntnisse: Einerseits werden Eigenschaften und Herausforderungen des Messprozesses aufgezeigt und diskutiert, wie die Verzerrung der Winkelverteilung durch die notwendige, an die Probe angelegte Spannung. Andererseits sind auch Charakteristika der unterschiedlichen Proben, wie die Plasmonenanregung bei spezifischen Energien, erkennbar. Ebenso ist ein Einfluss des Ladungszustands der Ionen zu sehen, dessen Erhöhung zu einem Anstieg der Elektronenemission bei größeren Winkeln, gemessen zur Oberflächen normale, führt.

The interaction of ions with matter has been the subject of intensive research for around 100years. Nevertheless, some fundamental questions still remain unsolved, such as which underlying mechanisms are involved in ion-surface interaction.A characteristic phenomenon of this interaction is the emission of secondary electrons, of which a significant proportion have only low kinetic energies (< 10 eV). So far, their properties and in particular their angular distribution have only been scarcely characterised. In order to investigate these in more detail, a prototype of a compact Electron Beam Ion Source (EBIS) is first characterised at TU Wien on the basis of ion current, maximum charge state and beam size. In this process, 50 fA of Xe33+ are found for a beam diameter that can be focussed down to 1 mm. The EBIS is then transported and integrated into an existing setup at ‘Deutsches Elektronensynchrotron’ (DESY). There, initial measurements of slow ion-induced electrons are carried out on different samples using an angle- and energy-resolving detector. Several series of measurements provide different insights: On the one hand, characteristics and challenges of the measurement process are shown and discussed, such as the distortion of the angular distribution due to a necessary bias potential. On the other hand, characteristics of the different samples, such as plasmon excitation at specific energies, are revealed. Furthermore, an influence of the charge state of the ions can be seen, the increase of which leads to an increase in electron emission at larger angles, measured in relation to the surface normal.