Photo-Emissions-Elektronen-Mikoskopie (PEEM)

Grundlagen und Apparatur
Am Lehrstuhl Angewandte Physik - Sensorik wird u.a. ein Photo-Emission-Elektronen-Mikroskop (PEEM) zu Oberflächenanalyse benutzt. Dieses PEEM, integriert in eine Ultra-Hoch-Vakuum-Apparatur ist in der Abbildung unten blau eingefärbt zu erkennen. Die UHV-Apparatur selbst ist grau dargestellt.

Mit diesem PEEM können Oberflächen, die bei Bestrahlung mit (genügend kurzwelligem) Licht Photoelektronen emittieren ("äußerer lichtelektrischer Effekt") elektronenoptisch abgebildet werden. Das ist auch gleichzeitig der größte Unterschied zum Raster-Elektronen- Mikroskop (REM), bei welchem die Elektronen mit einem gebündelten, über die Probe rasternden Elektronenstrahl ausgelöst werden.

Um nun die Probe zu beleuchten, sind 2 Laborlichtquellen an die UHV-Apparatur angebaut. Das ist zum einen eine Quecksilber-Höchst- drucklampe (rot eingefärbt), die sichtbares und nahes UV-Licht liefert. Zum anderen wird eine Gasentladungslampe (gelb eingefärbt) verwendet, die Licht im ferneren UV-Bereich erzeugt. Als dritte und zugleich auch wertvollste Lichtquelle kann auch ein Synchrotron genutzt werden. Dazu muß dann die Anlage allerdings zu einem solchen Synchrotron transferiert werden, da es sich dabei um ein immobiles Großgerät handelt.Bei der Verwendung von genügend schmalbandigen und kurzwelligen Anregungslichtquellen (also Gasentladungslampe und Synchrotron) kann mit den im PEEM abgebildeten Photoelektronen auch die weit verbreitete und etablierte Photo-Elektronen-Spektroskopie (PES) durchgeführt werden. Damit ist sowohl eine Bestimmung der Elementzusammensetzung der Probe als auch die Untersuchung der chemischen Bindungs- verhältnisse möglich (Elektronen-Spektroskopie für Chemische Analyse = ESCA). Dazu werden die Photoelektronen nach ihrer kinetischen Energie sortiert und entsprechend gezählt. Der dafür nötige Elektronen-Energie-Analysator (kurz µESCA genannt), der dem PEEM nachgeschaltet wird, ist in der Abbildung grün eingefärbt zu erkennen.


Beispiele
Mit dem System PEEM / µESCA werden an diesem Lehrstuhl vor allem Polymere (z.B. das leitfähige Polypyrrol) und Halbleiter-Systeme (z.B. Silizium-Dotierungen, multikristallines Silizium und der Schichtgitterhalbleiter Molybdänditellurid) untersucht.Im Folgenden sind einige Beispielbilder zu sehen:

Falschfarben-PEEM-Bild eines Polypyrrolfilms zeigt unerwartete Strukturen (links). Das Falschfarben-PEEM-Bild von multikristallinem Silizium(Mitte) lässt verschiedene Kristallite erkennen. Falschfarben-PEEM-Bild einer Molybdänditellurid-Spaltfläche (rechts). Die Bilder demonstrieren deutlich Inhomogenitäten (Rot) auf diesen vermeintlich glatten durch Spalten des Kristalls entstandenen Oberflächen.

Auf den oben gezeigten Proben wurde nun die Fähigkeit des Elektronen-Energie-Analysator µESCA, Photoelektronen-Spektren auf ausgewählten Probenstellen messen zu können, genutzt. Das sollen die folgenden beiden Beispiele verdeutlichen:

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