Rastertunnelmikroskopie an epitaktischen Eisenschichten auf MgO ...

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2 Theoretische Grundlagen 2.3 Photoelektronenspektroskopie Intensität auf dem Schirm beobachten. Die Stangen stehen auf den Atomen der Oberflächennetzebene und sind Parallel zu der Oberflächennormalen orientiert. Aus Gleichung (2.18) und Gleichung (2.16) lässt sich folgern, dass der Wellenvektor � ki größer wird, wenn die Energie des Elektronenstrahls zunimmt. Das hat zur Folge, dass sich der Radius der Ewaldkugel vergrößert und somit mehr Stangen Schnittpunkte mit der Kugel haben. Auf dem Schirm hat dies die Auswirkung, dass mehr Beugungsreflexe zu beobachten sind und der Abstand der Reflexe sich verkleinert. Der Streuvektor � Ghkl im reziproken Raum ist definiert als Die Laue-Bedingung � Ghkl = h � b1 +k � b2 +l � b3. (2.22) �kf − � ki = � Ghkl (2.23) besagt, dass die gebeugten Elektronen genau dann konstruktiv interferieren, wenn die Differenz der Wellenvektoren während des Streuprozesses einem reziproken Gittervektor entspricht. Aus den Reflexen auf dem Schirm und deren Abständen kann auf die Gitterstruktur der Probe geschlossen werden. 2.3 Photoelektronenspektroskopie Diese Messmethode liefert Informationen über die Bindungsenergien und die Umgebung der Atome in der Probe. Mithilfe von Literaturangaben [10] für BindungsenergienlässtsichaufdieenthaltenenElementesowiediechemischenundelektronischen Eigenschaften schließen. Im folgenden werden die physikalischen Grundlagen und das Funktionsprinzip kurz erläutert. 2.3.1 Photoelektrischer Effekt Der photoelektrische Effekt, um genauer zu sein der äußere photoelektrische Effekt, bezeichnet das Herauslösen von Elektronen aus einer Metalloberfläche mit Hilfe von elektromagnetischer Strahlung. Die einfallende elektromagnetische Welle muss genugEnergieE haben,umdieAustrittsarbeitφp derProbeaufzubringen,damitein Elektron heraus gelöst wird. Die Energie des Photons wird dabei auf das Elektron übertragen. Die Energie eines Photons E = hν wird durch das Produkt aus dem Planck’schen Wirkungsquantum h und Frequenz ν des Photons beschrieben. Die maximale Energie Ekin des herausgelösten Elektrons beträgt dann Ekin = hν −φp. (2.24) Die Austrittsarbeit φp ist stark vom Material der Probe abhängig. Die Gleichung (2.24) gilt nur für Elektronen nahe der Fermi-Energie. Die Fermi-Energie EF stellt im Grundzustand die höchsten besetzten Elektronenzustände dar, also die Elektronen mit der schwächsten Bindung. Für Elektronen auf tieferen Energieniveaus muss zusätzlich die Bindungsenergie EB aufgebracht werden, um die Differenz zum Fermi-Niveau zu überwinden. Dann ergibt sich aus Gleichung (2.24) 11 Ekin = hν −φp −EB. (2.25)
2.3 Photoelektronenspektroskopie 2 Theoretische Grundlagen 2.3.2 Röntgenphotoelektronenspektroskopie DerimvorherigenKapitelbeschriebeneäußerephotoelektrischeEffektistdieGrundlage für die Röntgenphotoelektronenspektroskopie XPS (X-ray photoelectron spectoscopy). Soll die Energie der herausgelösten Elektronen gemessen werden, ist zu beachten, dass die Austrittsarbeit φsp des Spektrometers eine wichtige Größe ist. Denn die Lage des Vakuumniveaus der Probe ist nicht bekannt, so dass die gemessene Energie nicht mit der tatsächlichen Energie des Elektrons übereinstimmt. Probe und Spektrometer sind elektrisch-leitend miteinander verbunden, so dass die Fermi-Energien auf dem selben Potential liegen. Anhand von Abbildung (2.6) lässt sich eine Möglichkeit finden, die tatsächliche Energie zu bestimmen. Es wird dafür hν EVac,Probe EF Probe Spektrometer Ekin,Wirklich φp EB,Vac EB,F Leitungsband Valenzband Ekin,Messung φsp φsp −φp EVac,Spek Abbildung 2.6: Schematische Ansicht der Bandstruktur bei XPS-Messungen. Die Fermi-Energie EF von Probe und Spektrometer liegt auf dem gleichen Niveau. Die Austrittsarbeit der Probe φp bzw. die daraus resultierende kinetische Energie ekin,Wirklich lässt sich nicht direkt mit dem Spektrometer messen, da die Lage des Vakuumniveaus nicht bekannt ist. Über die Austrittsarbeit des Spektrometers φsp kann dann diese indirekt über die Differenz φsp −φp bestimmt werden. die bekannte Austrittsarbeit φsp des Spektrometers verwendet und über φsp−φp die Energie des gemessenen Elektrons korrigiert. Die Austrittsarbeit des Spektrometers ist meist vom Hersteller angegeben oder kann bestimmt werden, indem eine qualitativ hochwertige Probe mit bekannten Bindungsenergien vermessen wird. Hier würde sich nach Referenz [5] eine saubere Gold-Probe eignen (Au 4f7/2 = 83.96eV). EF 12
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