Electron induced secondary electron emission : studies of polycrystalline aluminium and various carbon allotropes by means of (e,2e)-coincidence spectroscopy

Abstract

Das Beschießen von Materialien mit energiereichen, geladenen Teilchen kann zur Emission von Festkörperelektronen führen. Die Elektron-induzierte Sekundärelektronenemission ist ein fundamentales Phänomen, auf dem eine Vielzahl von technologischen Anwendungen und analytischen Techniken basiert. Aus diesem Grund ist es von großer Bedeutung die der Sekundarelektronenemission zu Grunde liegenden Prozesse zu untersuchen. Bereits etablierte Techniken wie die Elektronenenergieverlustspektroskopie (EELS) werden verwendet um die unterschieldichen Anregungskanäle im Detail zu studieren, eignen sich aber nur bedingt zur Untersuchung von Prozessen die zur Energiedissipation im Festkörper und zur Emission von Sekundarelektronen führen. Die (e,2e)-Koinzidenzspektroskopie ist eine Technik mit deren Hilfe sowohl das zurückgestreute Primärelektron, welches ein Energieverlust erlitten hat, als auch das Sekundärelektron, welches mit der übertragenen Energie emittieret wird, in Koinzidenz detektiert werden können. Durch die Kenntnis der Energien bzw. der Energieverluste beider Streupartner ist es möglich die unterschiedlichen Mechanismen die zur Energiedissipation innerhalb des Festkörpers und zur Emission von Sekundärelektronen (SE) führen zu diskriminieren. Im Zuge der vorliegen- den Arbeit wurde ein (e,2e)-Reflexion- Koinzidenzspektrometer in seiner Funktion weiter verbessert. Das Design des Instruments als auch die Funktionsweise werden detailliert erläutert. Weiters wird anhand von Messungen an polykristallinem Aluminium und verschiedenen Kohlenstoffallotropen demonstriert wie mit Hilfe von Koinzidenzspektroskopie verschiedene Features die im Zuge der Sekund -arelektronenkaskade entstehen aufgelöst werden können. Die Ergebnisse werden in Form von doppelt-differenziellen Spektren präsentiert und wurden durch Messungen mit Hilfe weiterer analytischer Methoden bestätigt. Es wird weiters ein neuer Mechanismus für Sekundärelektronenemission präsentiert, der durch das Auftreten von Energieverlusten des primären Elektrons stattfinden während dieser sich auf der Vakuumseite der Grenfläche befindet. Außerdem wird das Auftreten von Elektronenkorrelationen beobachtet. Die Ergebnisse zeigen wie mit Hilfe von Sekundär-Elektronen-Elektronen-Verlustenergie-Koinzidenz-Spektroskopie (SE2ELCS) einerseits verschiedene Verlustprozesse die zur Emission von SE führen diskriminiert werden können und andererseits daß die Koinzidenspektroskopie wertvolle Information zur korrekten Interpretation von Energieverlustmessungen liefert.

If a material is bombarded by energetic charged particles, this can lead to emission of solid-state electrons. Electron-induced secondary electron emission is a fundamental phenomenon, upon which a variety of technological applications and analytical techniques are based. Therefore deepening the understanding of the mechanisms related to secondary electron generation represents an essential task. While the various excitation channels of a solid can be studied by electron energy loss measurements, the processes involved in the energy dissipation and the ejection of solid-state electrons have not been thoroughly studied. This can be achieved by measuring both scattering partners using (e,2e)- coincidence spectroscopy. By measuring coincidences between backscattered electrons, having experienced a certain energy loss and secondary electrons (SEs) emitted as a result of this energy transfer, it becomes possible to discriminate the processes inherent to the production and the emission of secondary electrons. A reflection (e,2e)-coincidence spectrometer has therefore been conceived and improved during the present work. The instrument design and its working principle are discussed in detail. Demonstration of the ability of this type of equipment to resolve features in the secondary electron cascade is given by a series of results obtained on the investigation of polycrystalline Al and a set of C allotropes. The resulting double-differential coincidence spectra for the investigated materials are presented. Supporting information obtained by means of other analytical techniques is also given. A new mechanism for secondary electron emission is discovered where the electron loss process takes place when the primary is still in vacuum. A clear signature for electronic correlations is also observed. In summary the results show that it is possible with secondary electron electron-energy loss coincidence spectroscopy (SE2ELCS) not only to discriminate different energy loss processes leading to different SE-ejection mechanisms, but also conversely, that SE-coincidences sometimes provide decisive information for proper interpretation of energy loss measurements.