From photoionisation to electron coincidence spectroscopy : graphitic experimental data analysed with density functional theory

Abstract

Niederenergetische Elektronen sind für unzählige Phänomene verantwortlich, angefangen bei der Entstehung von präbiotischen Molekülen in interstellaren Nebeln bis zu Bildung von Nano-Mustern in Lithografie mit extrem ultraviolettem Licht (XUV). Das Verhalten von niederenergetischen Elektronen (LEEs) in Festkörpern ist ein komplexer Prozess, ihre quantitative Beschreibung verlangt die Einbeziehung von Mechanismen, die über die üblich getroffenen Vereinfachungen für schnelle Elektronen hinausgehen. In dieser Arbeit wird eine Methode vorgestellt, die auf Ab-initio-Rechnungen basiert, um einfache Coulomb-Streuung (einer der möglichen Erzeugungsprozesse für LEEs) in der ersten Bornschen Näherung anhand von vier Elektronenspektroskopieexperimenten zu simulieren. Wie werden Elektronen erzeugt? Die zugrundeliegenden Fragen, die für die in diesen Experimenten beobachteten Effekte hinsichtlich der Anwendung der Ein-Elektronenbehandlung und des Einflusses der Coulomb-Streuung (Elektron mit Elektron) verantwortlich sind, werden behandelt.Die entwickelte Methodik wurde auf die Beschreibung eines statischen, hochpräzisen Photonenstrahl-Experiments unter Verwendung eines Photoemissions-Elektronenmikroskops (PEEM) angewendet. Vorhandene Ergebnisse aus drei Elektronenstrahl-Experimenten, die die Abhängigkeit des Elektronenenergieverlusts von verschiedenen experimentellen Observablen messen, wurden analysiert. Die winkelaufgelöste Reflekionselektronen-Energieverlustspektroskopie (Ar-REELS) misst die Streuwinkelabhängigkeit, die inelastische Very Low Energy Electron Diffraction (Inelastic VLEED) misst sie als Funktion der Einfallsenergie und die Secondary Electron-Electron Energy Loss Coincidence Spectroscopy (SE2ELCS) misst die doppelt-differenzielle Sekundärelektronenproduktion für mögliche Primärenergieverluste. Die zugrunde liegenden Berechnungen wurden für zwei graphitische Proben mit spezifischen elektronischen und optischen Eigenschaften durchgeführt, hochorientiertem pyrolytischem Graphit (HOPG) und monokristallinem Graphit SCG(0001) aus einem Meteoroiden. Mit zunehmender Komplexität des Elektronenstreuprozesses und basierend auf Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie (DFT) wurde die Einfach-Coulomb-Streuung simuliert und ihr Beitrag zu jeder einzelnen Messung untersucht.Unsere Ergebnisse zeigen, dass die in PEEM beobachteten impulsaufgelösten Photoionisationsmerkmale durch unseren Ansatz mit hoher Genauigkeit beschrieben werden können. Die einzelnen Modellbeschränkungen, die mit der Beschreibung von Elektronenstrahlmessungen (Ar-REELS, inelastisches VLEED und SE2ELCS) verbunden sind, werden zusammen mit möglichen Verbesserungen identifiziert. Die wichtigsten Einschränkungen unserer Methodik, die sich aus dem Vergleich mit den Experimenten ergeben, sind die nicht behandelten kollektiven Anregungen (Plasmonen), ein genaues Oberflächenübergangsmodell sowie die elastische Reflektion von Elektronen.

Low-energy electrons are responsible for a myriad of phenomena from the formation of prebiotic molecules in interstellar clouds to nanopattern formation in extreme ultraviolet lithography. Behaviour of low-energy electrons (LEE) in solids is a complex process, the quantitative description requires the consideration of phenomena that go beyond the commonly used simplifications for fast electrons. This work proposes a method based on ab-initio calculations to simulate single Coulomb scattering (one of the creation mechanisms of LEEs) in the first Born approximation of the scattering process of four electron spectroscopy experiments. How are the electrons produced? The underlying questions responsible for the observed effects in these experiments regarding the application of single-electron treatment and the influence of Coulomb scattering (electron on electron) are addressed.The developed methodology was applied to the description of a static high-precision photon-probing experiment using a Photoemission Electron Microscope (PEEM). Existing results from three electron-probing experiments which measure the dependence of the electron energy loss on different experimental observables are analysed. Angular-resolved reflection electron energy loss spectroscopy (Ar-REELS) measures the scattering angle dependency, Inelastic Very Low Energy Electron Diffraction (Inelastic VLEED) measures it as a function of incident energy, and Secondary Electron-Electron Energy Loss Coincidence Spectroscopy (SE2ELCS) measures the double-differential secondary electron production for possible primary energy losses. The underlying calculations were performed for two graphitic samples with specific electronic and optical properties, highly-oriented pyrolytic graphite (HOPG) and single crystaline graphite SCG(0001) from a meteoroid. With increasing complexity of the electron scattering process and based on Density Functional Theory (DFT) calculations, single Coulomb scattering was simulated and its contribution to each individual measurement was examined.Our results show that momentum-resolved photoionisation features observed in PEEM are described by our approach with high accuracy. The individual model limitations inherent to the description of electron-probing measurements (Ar-REELS, inelastic VLEED and SE2ELCS) together with possible improvements are identified. The key limitations in our methodology based on comparison with the experiments are the excluded collective excitations such as multi-electron, i. e. plasmonic effects and an accurate surface transition model as well as elastic reflection of electrons.