DE102020104151B3 - Imaging device for electrons and an imaging method for reducing the background signal in imaging electron-optical devices - Google Patents

Abstract

Eine Elektronen-Abbildungsvorrichtung (100), die für einen Transfer einer Elektronenverteilung (2) von einer Probe (1) zu einer Energieanalysatorvorrichtung (200) mit Elektronendetektor (300) eingerichtet ist, umfassend ein probenseitiges Segment (10) mit optischer Achse (OA1) bestehend aus einer ersten Linsengruppe (11), einer Feldblende (13) und einer zweiten Linsengruppe (14), gefolgt von einer Deflektorvorrichtung (20) und einem analysatorseitigen Segment (30), mit einer um einen kleinen Winkel (α) gegenüber (OA1) verkippten optischen Achse (OA2), umfassend eine dritte Linsengruppe (31) gefolgt von einer Selektorblende (33), wobei Linsengruppe (11) ein erstes Impulsbild (reziprokes Bild) (3) in Ebene RP1 innerhalb der Linsengruppe und ein erstes Gaußbild (Realraumbild) (12) in Ebene GP1 im Zentrum der Feldblende (13) erzeugt und die zweite Linsengruppe (14) ein zweites Impulsbild (15) in Ebene RP2 im Zentrum der Deflektorvorrichtung (20) erzeugt und die Elektronen durch den Deflektor so um einen Winkel (α) abgelenkt werden, dass im zweiten Gaußbild (32) in der Ebene GP2 hinter der dritten Linsengruppe (31) mittels der Selektorblende (33) der gewünschte Energiebereich der Elektronen ausgewählt und Untergrundelektronen mit zu hoher oder zu niedriger Energie ausgeblendet werden. Die Energieanalysatorvorrichtung kann als Halbkugelanalysator (200) mit Eintrittsblende (201), Innenkugelelektrode (202), Außenkugelelektrode (203) und nachfolgendem ortsauflösendem Elektronendetektor (300) oder als Flugzeit-Analysator eingerichtet sein.An electron imaging device (100) which is set up for a transfer of an electron distribution (2) from a sample (1) to an energy analyzer device (200) with an electron detector (300), comprising a sample-side segment (10) with an optical axis (OA1) consisting of a first lens group (11), a field stop (13) and a second lens group (14), followed by a deflector device (20) and a segment (30) on the analyzer side, with a small angle (α) opposite (OA1) tilted optical axis (OA2), comprising a third lens group (31) followed by a selector diaphragm (33), the lens group (11) having a first pulse image (reciprocal image) (3) in plane RP1 within the lens group and a first Gaussian image (real space image) (12) in plane GP1 in the center of the field stop (13) and the second lens group (14) generates a second pulse image (15) in plane RP2 in the center of the deflector device (20) and the electrons through the deflector or be deflected by an angle (α) so that in the second Gaussian image (32) in the plane GP2 behind the third lens group (31) the desired energy range of the electrons is selected using the selector aperture (33) and background electrons with too high or too low an energy be hidden. The energy analyzer device can be set up as a hemispherical analyzer (200) with an inlet aperture (201), inner spherical electrode (202), outer spherical electrode (203) and subsequent spatially resolving electron detector (300) or as a time-of-flight analyzer.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abbildungsvorrichtung für Elektronen, die für einen Transfer einer Elektronenverteilung von einer Probe zu einer Energieanalysatorvorrichtung eingerichtet ist, umfassend:

• ein probenseitiges erstes Segment, welches eine erste Linsengruppe, eine Feldblende und eine zweite Linsengruppe aufweist, wobei die Linsen der ersten und zweiten Linsengruppe zur Erzeugung eines ersten Impulsbildes der von der Probe emittierten Elektronenverteilung in der ersten reziproken Bildebene, eines ersten Realraumbildes in der ersten Gauß'schen Bildebene und eines zweiten Impulsbildes in der zweiten reziproken Bildebene eingerichtet sind;
• eine Deflektorvorrichtung, die zentriert bezüglich der ersten Gauß'schen Bildebene angeordnet ist sowie ein analysatorseitiges zweites Segment, welches eine dritte Linsengruppe und eine Selektorblende aufweist, wobei die dritte Linsengruppe zur Erzeugung eines zweiten Realraumbildes im Zentrum der Selektorblende in der zweiten Gauß'schen Bildebene eingerichtet ist;
• und eine Energieanalysatorvorrichtung mit Elektronendetektor, die zur energieaufgelösten Abbildung der Elektronenverteilung eingerichtet ist.

The invention relates to an imaging device for electrons, which is set up for a transfer of an electron distribution from a sample to an energy analyzer device, comprising:

• a first segment on the sample side, which has a first lens group, a field stop and a second lens group, the lenses of the first and second lens groups for generating a first pulse image of the electron distribution emitted by the sample in the first reciprocal image plane, a first real space image in the first Gaussian 's image plane and a second pulse image are set up in the second reciprocal image plane;
• a deflector device which is arranged centered with respect to the first Gaussian image plane and a second segment on the analyzer side which has a third lens group and a selector diaphragm, the third lens group being set up to generate a second real space image in the center of the selector diaphragm in the second Gaussian image plane is;
• and an energy analyzer device with an electron detector, which is set up for energy-resolved imaging of the electron distribution.

Außerdem betrifft die Erfindung ein Abbildungsverfahren zur Reduktion des Untergrundes beim Transfer einer Elektronenverteilung von einer Probe zu einem Energieanalysator mittels einer Abbildungsvorrichtung, umfassend ein probenseitiges erstes Segment mit einer ersten Linsengruppe, einer Feldblende und einer zweiten Linsengruppe, eine Deflektorvorrichtung und ein analysatorseitiges zweites Segment mit einer dritten Linsengruppe und einer Selektorblende.The invention also relates to an imaging method for reducing the background when transferring an electron distribution from a sample to an energy analyzer by means of an imaging device, comprising a first segment on the sample side with a first lens group, a field stop and a second lens group, a deflector device and a second segment on the analyzer side with a third lens group and a selector diaphragm.

Insofern bezieht sich die Erfindung auf eine Messvorrichtung, die zur Erfassung einer Energieverteilung und einer Winkelverteilung bzw. einer Impulsverteilung eines Ensembles von Elektronen eingerichtet ist, welche aus einer zu untersuchenden Probe emittiert werden. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auch auf winkelauflösende Energieanalysatoren, parallel abbildende Impulsmikroskope auf der Basis von Halbkugelanalysatoren und Flugzeit-Impulsmikroskope zur simultanen Erfassung der Impuls- und Energieverteilung der Elektronen. Die Erfindung kann auch für ein Verfahren zur Nutzung dieser Vorrichtung zur Erfassung der Winkelverteilung oder Impulsverteilung von Elektronen eingesetzt werden, z. B. als Anwendung bei der Analyse von Festkörperproben mittels Photoelektronen oder Auger-Elektronen.In this respect, the invention relates to a measuring device which is set up to detect an energy distribution and an angular distribution or a pulse distribution of an ensemble of electrons which are emitted from a sample to be examined. The invention also relates in particular to angularly resolving energy analyzers, parallel imaging pulse microscopes based on hemisphere analyzers and time-of-flight pulse microscopes for the simultaneous detection of the pulse and energy distribution of the electrons. The invention can also be used for a method of using this device for detecting the angular distribution or momentum distribution of electrons, e.g. B. as an application in the analysis of solid samples by means of photoelectrons or Auger electrons.

Es ist allgemein bekannt, für die Analyse von Photoelektronen und Auger-Elektronen aus Festkörperproben verschiedene Arten von Energieanalysatoren zu verwenden [1]. Bei speziellen Ausführungsarten werden die von der Probe emittierten Elektronen winkelaufgelöst detektiert, ein allgemein als ARPES (ARPES: angular-resolved photo-electron spectroscopy) bezeichnetes Verfahren. Bei anderen Ausführungsarten erfolgt eine Abbildung der Impulsverteilung der vom Festkörper emittierten Elektronen, wobei die nötige Energieauflösung entweder mit dispersiven Energieanalysatoren, insbesondere mit Doppel-Halbkugelanalysatoren [2, 3], mit Einfach-Halbkugelanalysatoren [4, 5], mit Flugzeit-Analysatoren [6] oder mit einer Kombination von beiden Arten [7] erreicht wird. Aus der Winkel- oder Impulsverteilung in Verbindung mit der Energieverteilung lässt sich die elektronische Bandstruktur eines Materials bestimmen [1]. In allen Verfahren kann die Analysatoreinrichtung mit einem abbildenden Spinfilter versehen werden [6, 8].It is well known to use different types of energy analyzers for the analysis of photoelectrons and Auger electrons from solid samples [1]. In special embodiments, the electrons emitted by the sample are detected with angular resolution, a method generally known as ARPES (ARPES: angular-resolved photo-electron spectroscopy). In other embodiments, the momentum distribution of the electrons emitted by the solid is mapped, with the necessary energy resolution either with dispersive energy analyzers, in particular with double hemisphere analyzers [2, 3], with single hemisphere analyzers [4, 5], with time-of-flight analyzers [6 ] or a combination of both types [7]. The electronic band structure of a material can be determined from the angular or pulse distribution in connection with the energy distribution [1]. In all methods, the analyzer device can be provided with an imaging spin filter [6, 8].

In allen genannten Verfahren werden die Elektronen mittels einer Transferoptik aus elektronenoptischen Linsen von der Festkörperprobe zum Eintritt des Energieanalysators übertragen und auf den Eintrittsspalt, z. B. bei dispersiven Analysatoren oder den Eintrittspunkt der niederenergetischen Driftstrecke, z. B. bei Flugzeit-Analysatoren fokussiert. Solche Transferoptiken sind breitbandig ausgelegt, d.h. sie übertragen ein weites Energieband, nur begrenzt durch die chromatische Aberration der Linsen. In den Eintrittsspalt treten deshalb im allgemeinen Fall Elektronen mit sehr unterschiedlichen Energien ein. Einen typischen Fall stellen Photoelektronen dar, die mit Röntgenstrahlung ausgelöst werden. Dabei handelt es sich um eine weit verbreitete Methode, die als ESCA bezeichnet wird (ESCA: electron spectroscopy for chemical analysis [1]). Ein ebenfalls sehr gebräuchlicher Fall sind Auger-Elektronen, welche durch einen Primärelektronenstrahl mit einer Energie von typisch mehreren keV ausgelöst werden. In diesen und vielen anderen Fällen liegt das interessierende Signal in einem sehr breiten Spektrum. Je nach Anregungsenergie treten Breiten von bis zu mehreren keV auf. Die Transferoptik überträgt die Elektronen mit dieser breiten spektralen Verteilung in den Eintritt des Energieanalysators.In all of the processes mentioned, the electrons are transferred from the solid sample to the entrance of the energy analyzer by means of transfer optics made up of electron-optical lenses and are transferred to the entrance slit, e.g. B. with dispersive analyzers or the entry point of the low-energy drift path, z. B. focused on time-of-flight analyzers. Such transfer optics are broadband, i.e. they transmit a wide energy band, only limited by the chromatic aberration of the lenses. In general, electrons with very different energies therefore enter the entrance slit. Photoelectrons that are triggered with X-rays represent a typical case. This is a widely used method known as ESCA (ESCA: electron spectroscopy for chemical analysis [1]). Another very common case are Auger electrons, which are triggered by a primary electron beam with an energy of typically several keV. In these and many other cases the signal of interest lies in a very broad spectrum. Depending on the excitation energy, widths of up to several keV occur. The transfer optics transfer the electrons with this broad spectral distribution into the entrance of the energy analyzer.

In dispersiven Analysatoren - gebräuchlichster Prototyp ist der Halbkugelanalysator - treffen Elektronen mit zu hoher Energie auf die Innenseite der Außenkugelelektrode und Elektronen mit zu niedriger Energie auf die Außenseite der Innenkugelelektrode, bzw. auf Korrekturelektroden in der Nähe des Strahlaustritts. Dort lösen diese Elektronen Streuelektronen und Sekundärelektronen aus, welche zum Teil durch den Austrittsspalt hindurchtreten und das echte Signal als Untergrund überlagern. In Flugzeit-Analysatoren führen Elektronen mit höheren Energien zu Serien von diskreten Artefaktsignalen. Diese Serien resultieren aus der Bedingung, dass die Flugzeit der betreffenden zumeist schnelleren Elektronen um eine oder mehrere Perioden der gepulsten Anregungsquelle kürzer ist als die der echten Signale. Für geringere Energien treten Artefaktsignale auf, wenn die Flugzeit um ein ganzzahliges Vielfaches der Anregungsperiode länger ist als die der echten Signalelektronen. In der Praxis führt der letztere Fall zu einem diffusen Untergrund, da diese langsamen Elektronen in der Driftstrecke zeitlich stark dispergiert werden. Beide Fälle führen zu zeitlichen Koinzidenzen mit den echten Signalen, die für ungünstige Kombinationen von Periode der gepulsten Anregung und Driftenergie zu einer massiven Beeinträchtigung der echten Signale führen können. Eine systematische Zusammenstellung der Bedingungen für solche ungewollten zeitlichen Koinzidenzen der Untergrundsignale mit den echten Signalen für realistische Arbeitsbedingungen ist in [9] angegeben.In dispersive analyzers - the most common prototype is the hemisphere analyzer - electrons with too high an energy hit the inside of the outer spherical electrode and electrons with too low energy hit the outside of the inner spherical electrode or on correction electrodes near the beam exit. There, these electrons trigger scatter electrons and secondary electrons, some of which pass through the exit slit and superimpose the real signal as a background. In time-of-flight analyzers, electrons with higher energies feed Series of discrete artifact signals. These series result from the condition that the flight time of the relevant mostly faster electrons is shorter than that of the real signals by one or more periods of the pulsed excitation source. Artifact signals occur for lower energies if the flight time is an integral multiple of the excitation period longer than that of the real signal electrons. In practice, the latter case leads to a diffuse background, since these slow electrons are strongly dispersed over time in the drift path. Both cases lead to temporal coincidences with the real signals, which for unfavorable combinations of the period of the pulsed excitation and drift energy can lead to a massive impairment of the real signals. A systematic compilation of the conditions for such unwanted temporal coincidences of the background signals with the real signals for realistic working conditions is given in [9].

Alle bisherigen Transportsysteme in Elektronen-Energieanalysatoren [2-7] nutzen für den Strahltransport lineare elektronenoptische Linsensysteme, d.h. zylindersymmetrische Linsenanordnungen, was mit Blick auf die Minimierung von Aberrationen vorteilhaft erscheint.All previous transport systems in electron energy analyzers [2-7] use linear electron-optical lens systems for beam transport, i.e. cylinder-symmetrical lens arrangements, which appears to be advantageous with a view to minimizing aberrations.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die störenden Signalbeiträge falscher Energien substanziell zu reduzieren bzw. in günstigen Fällen völlig zu eliminieren.The object of the present invention is to substantially reduce the disruptive signal contributions of incorrect energies or, in favorable cases, to eliminate them completely.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Abbildungsvorrichtung für Elektronen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ausgehend von einem Abbildungsverfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 11 mit den jeweils kennzeichnenden Merkmalen gelöst.This object is achieved based on an imaging device for electrons according to the preamble of claim 1 and based on an imaging method according to the preamble of claim 11 with the respective characterizing features.

Hierzu wird eine Symmetriebrechung in Form einer zweifach segmentierten elektronenoptischen Säule mit einem linearen probenseitigen Segment und einem linearen analysatorseitigen Segment mit einem kleinen Knickwinkel α am Schnittpunkt der beiden optischen Achsen eingeführt. Aberrationen durch die Symmetriebrechung werden dadurch eliminiert, dass exakt im Knickpunkt ein reziprokes Bild (Impulsraumbild) positioniert wird und ferner in diesem Punkt eine Deflektorvorrichtung angeordnet ist, die das Strahlenbündel mit der korrekten Energie zentrisch in das analysatorseitige Segment der elektronenoptischen Säule einfädelt. Die unerwünschten Energien werden aus dem Strahl eliminiert, indem in der ersten Gauß'schen Bildebene (im folgenden kurz Gaußebene genannt) eine erste Blende und in der zweiten Gaußebene hinter der Deflektoreinheit eine zweite Blende angebracht ist. Die erste Blende hat die Funktion einer Feldblende, die den zur Abbildung gelangenden Bildbereich eingrenzt. Eine ausreichend kleine Feldblende ist insbesondere für die Impulsauflösung in Impulsmikroskopen wichtig [3,6]. Die zweite Blende ist in konventionellen, linearen Transferoptiken nicht vorhanden, da sie ebenfalls in einer Gaußebene positioniert ist und damit keine weitere Wirkung als die erste Feldblende hat. In der erfindungsgemäßen zweifach segmentierten Transferoptik blockiert diese zweite Blende jedoch die unerwünschten zu langsamen und zu schnellen Elektronen im Strahl und hat deshalb die Funktion einer Selektorblende für den gewünschten Energiebereich.For this purpose, a symmetry breaking in the form of a doubly segmented electron-optical column with a linear segment on the sample side and a linear segment on the analyzer side with a small kink angle is used α introduced at the intersection of the two optical axes. Aberrations due to the breaking of symmetry are eliminated by positioning a reciprocal image (momentum space image) exactly at the inflection point and also by arranging a deflector device at this point, which threads the beam with the correct energy centrally into the segment of the electron-optical column on the analyzer side. The undesired energies are eliminated from the beam in that a first diaphragm is attached in the first Gaussian image plane (hereinafter referred to as the Gaussian plane for short) and a second diaphragm is attached in the second Gaussian plane behind the deflector unit. The first diaphragm has the function of a field diaphragm which delimits the image area to be shown. A sufficiently small field diaphragm is particularly important for pulse resolution in pulse microscopes [3,6]. The second diaphragm is not present in conventional, linear transfer optics because it is also positioned in a Gaussian plane and therefore has no further effect than the first field diaphragm. In the double-segmented transfer optics according to the invention, however, this second diaphragm blocks the undesired excessively slow and excessively fast electrons in the beam and therefore has the function of a selector diaphragm for the desired energy range.

Die erfindungsgemäße Anordnung besteht in der einfachsten Ausführung aus einer zweifach segmentierten elektronenoptischen Säule mit einem kleinen Knickwinkel von typisch α ≈ 2° bis 4° (oder größeren Winkeln, nur begrenzt durch die Aberration des Deflektors) und einem Deflektorelement am Knickpunkt sowie einer zusätzlichen Selektorblende im analysatorseitigen Segment der optischen Säule. In einer bevorzugten zweiten Ausführungsform kann die Strahlkippung hinter der Selektorblende wieder rückgängig gemacht werden, indem die optische Säule dreifach segmentiert wird und entsprechend ein weiterer komplementärer Kippwinkel von α - eingeführt wird, sodass das Strahlenbündel im dritten Segment wieder parallel zum ersten Segment verläuft. Aufgrund des kleinen Knickwinkels ist der resultierende Strahlversatz zwischen erstem und drittem Segment in einem praktischen Aufbau nur wenige Millimeter, sodass die Gesamtanordnung in einem linearen Tragrohr und linearem Vakuumrohr untergebracht werden kann.In its simplest form, the arrangement according to the invention consists of a doubly segmented electron-optical column with a small kink angle of typically α ≈ 2 ° to 4 ° (or larger angles, only limited by the aberration of the deflector) and a deflector element at the kink point and an additional selector diaphragm in the segment of the optical column on the analyzer side. In a preferred second embodiment, the beam tilting behind the selector diaphragm can be reversed by segmenting the optical column three times and introducing a further complementary tilting angle of α - so that the beam in the third segment runs parallel to the first segment again. Due to the small articulation angle, the resulting beam offset between the first and third segment is only a few millimeters in a practical structure, so that the entire arrangement can be accommodated in a linear support tube and a linear vacuum tube.

Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf der kombinierten Nutzung von drei bekannten Grundtatsachen teilchenoptischer Systeme:

• (i) Die Winkelinformation des zur Abbildung gelangenden Strahls ist in einer reziproken Bildebene als Bild der Impulsverteilung (kurz: Impulsbild) kodiert, wobei die Radialkoordinate den Transversalimpuls quantifiziert. Analog ist die Ortsinformation des zur Abbildung gelangenden Strahls in einer reziproken Bildebene als Winkelinformation kodiert.
• (ii) Der Transversalimpuls lässt sich durch einen elektrischen oder magnetischen Deflektor in wohldefinierter Weise verändern.
• (iii) Bei einer festen Deflektoreinstellung ist der Impulsübertrag auf ein durchfliegendes Elektron proportional zu seiner Aufenthaltszeit im Deflektorfeld und damit abhängig von seiner kinetischen Energie.

The method according to the invention is based on the combined use of three known basic facts of particle-optical systems:

• (i) The angular information of the beam to be imaged is encoded in a reciprocal image plane as an image of the impulse distribution (short: impulse image), the radial coordinate quantifying the transverse impulse. Analogously, the location information of the beam being imaged is encoded in a reciprocal image plane as angle information.
• (ii) The transverse momentum can be changed in a well-defined way by an electric or magnetic deflector.
• (iii) With a fixed deflector setting, the momentum transfer to a passing electron is proportional to its time in the deflector field and therefore dependent on its kinetic energy.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist insbesondere vorteilhaft zur Erhöhung des nützlichen Signalanteils in Experimenten, die durch die Messeffizienz des Detektors begrenzt sind. Dies ist z.B. der Fall bei gepulster Anregung und Nachweis mit einem Einkanal Delayline-Detektor [10], der nur ein Zählereignis pro Anregungspuls registrieren kann. Die Zählereignisse verteilen sich auf das gesamte erfasste Energieintervall. Dadurch wird ein hoher Anteil an Elektronen registriert, die nicht zum gewünschten Signal beitragen. Die erfindungsgemäße Reduktion des erfassten Energieintervalls führt damit unmittelbar zu einer Effizienzsteigerung um den Faktor der Reduktion der Breite des Intervalls. In [11] ist eine alternative Methode beschrieben, bei der die Reduktion des erfassten Energiebandes mittels eines elektronenoptischen Hochpass-Filters realisiert wird. Dieser Ansatz ist jedoch mit einem massiven Verlust an Schärfentiefe verbunden, sodass die in Publikation [11] gezeigten Messdaten aus Einzelintervallen von nur 0,5 eV Bandbreite zusammengesetzt sind.The arrangement according to the invention is particularly advantageous for increasing the useful signal component in experiments that are limited by the measuring efficiency of the detector. This is the case, for example, with pulsed excitation and detection with a Single-channel delay line detector [10] that can only register one counting event per excitation pulse. The counting events are distributed over the entire recorded energy interval. This registers a high proportion of electrons that do not contribute to the desired signal. The reduction according to the invention of the recorded energy interval thus leads directly to an increase in efficiency by the factor of the reduction in the width of the interval. In [11] an alternative method is described in which the reduction of the recorded energy band is implemented by means of an electron-optical high-pass filter. However, this approach is associated with a massive loss of depth of field, so that the measurement data shown in publication [11] are composed of individual intervals with a bandwidth of only 0.5 eV.

Die erfindungsgemäße Anordnung bietet einen besonderen Vorteil auch in Fällen, in denen Untergrundbeiträge mit wesentlich höheren Energien dem untersuchten Photoemissions-Signal beigemischt sind. Dies ist der Fall in Experimenten mit Synchrotronstrahlung, wenn Beiträge von Licht höherer Ordnungen des Monochromators im anregenden Strahl vorhanden sind. Die dadurch erzeugten Untergrundsignale werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vollständig eliminiert. Der in [9] beschriebene alternative Ansatz, die Artefaktsignale höherer Ordnungen durch Veränderung der Photonenenergie aus dem Messfenster heraus zu schieben, ist mit dem Verlust an freier Wahlmöglichkeit der Photonenenergie verbunden. Für viele Experimente wie die dreidimensionale Tomographie des Impulsraumes [12] ist aber die exakte Einstellung einer bestimmten Photonenenergie unverzichtbar.The arrangement according to the invention also offers a particular advantage in cases in which background contributions with significantly higher energies are added to the examined photoemission signal. This is the case in experiments with synchrotron radiation when contributions of higher order light from the monochromator are present in the exciting beam. The background signals generated thereby are completely eliminated with the method according to the invention. The alternative approach described in [9] of shifting the artifact signals of higher orders out of the measurement window by changing the photon energy is associated with the loss of free choice of photon energy. For many experiments like the three-dimensional tomography of the momentum space [12] the exact setting of a certain photon energy is indispensable.

Des Weiteren bietet das erfindungsgemäße Verfahren Vorteile bei der Nutzung eines abbildenden Spinfilters [6, 8, 13]. Bei der Spinanalyse führt ein dem Messsignal überlagerter Untergrund zu einer Verringerung der gemessenen Spinasymmetrie. Aufgrund des Berechnungsalgorithmus' für die Spinpolarisation kann der Untergrund nicht durch Subtraktion eliminiert werden. Dasselbe gilt für den statistischen Fehler der Spinmessung, der durch Beimischung eines Fremdsignals überproportional stark erhöht wird. Details zu Spinmessungen sind in [14] dargelegt. Damit ist die Problematik eines beigemischten Untergrundsignals für spinaufgelöste Messungen noch wesentlich größer als für spinintegrale Experimente. Insbesondere lösen hochenergetische Untergrundelektronen bei der Streuung an einem Spinfilterkristall niederenergetische Sekundärelektronen aus, welche das echte niederenergetische Signal von Elektronen, die spinselektiv gestreut wurden, überlagern.Furthermore, the method according to the invention offers advantages when using an imaging spin filter [6, 8, 13]. In the spin analysis, a background superimposed on the measurement signal leads to a reduction in the measured spin asymmetry. Due to the calculation algorithm for the spin polarization, the background cannot be eliminated by subtraction. The same applies to the statistical error of the spin measurement, which is increased disproportionately by the addition of an external signal. Details on spin measurements are given in [14]. The problem of an added background signal for spin-resolved measurements is therefore even greater than for spin-integral experiments. In particular, when scattered on a spin filter crystal, high-energy background electrons trigger low-energy secondary electrons, which superimpose the real low-energy signal of electrons that were scattered selectively.

Aus den Druckschriften [15] und [16] ist eine Ablenkvorrichtung zwischen zwei Säulenanordnungen bekannt, in der die optische Achsen der Säulen um 10° [15] bzw. 45° [16] geneigt sind. Abbildende Energiefilter zur Teilchen-Spektrometrie sind beispielsweise aus [17] bekannt.From the publications [15] and [16] a deflection device between two column arrangements is known in which the optical axes of the columns are inclined by 10 ° [15] and 45 ° [16]. Imaging energy filters for particle spectrometry are known from [17], for example.

Der Stand der Technik lehrt ferner die achromatische Ablenkung [15, 16] oder die symmetrische Ablenkung [18], bei der u. a. die Dispersion kompensiert wird. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird aber gerade die Dispersion dieses Ablenkelements zur Energie-Vorfilterung ausgenutzt. The prior art also teaches the achromatic deflection [15, 16] or the symmetrical deflection [18], in which inter alia. the dispersion is compensated. In the arrangement according to the invention, however, it is precisely the dispersion of this deflection element that is used for energy pre-filtering.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist insbesondere vorteilhaft im Zusammenhang mit folgenden Druckschriften zu verwenden.The arrangement according to the invention can be used particularly advantageously in connection with the following publications.

Die EP 1 559 126 B9 offenbart einen bildgebenden Energiefilter für elektrisch geladene Teilchen mit mindestens zwei toroidalen hintereinander angeordneten Energieanalysatoren, wobei mindestens ein Energieanalysator in seiner Eintritts- und Austrittsebene jeweils eine Blende aufweist. Eine erfindungsgemäße invertierende Linse zwischen den beiden Analysatoren dient zur Aberrationskorrektur. Diese Erfindung bezieht sich auch auf die Verwendung dieses bildgebenden Energiefilters für die Photoelektronenspektroskopie.The EP 1 559 126 B9 discloses an imaging energy filter for electrically charged particles with at least two toroidal energy analyzers arranged one behind the other, at least one energy analyzer each having a diaphragm in its entry and exit plane. An inverting lens according to the invention between the two analyzers is used for aberration correction. This invention also relates to the use of this imaging energy filter for photoelectron spectroscopy.

Die DE 10 2019 107 327 A1 beschreibt eine Elektronen-Abbildungsvorrichtung und ein Elektronentransferverfahren zur Übertragung von Elektronen von einer Probe zu einer Energieanalysatorvorrichtung, eingerichtet insbesondere für eine impuls- und energieaufgelöste Detektion der Elektronen, wie z. B Photoelektronen. Des Weiteren betrifft diese Erfindung eine Elektronen-Spektrometervorrichtung vom Typ einer Einfachhalbkugel, die mit der Elektronen-Abbildungsvorrichtung ausgestattet ist.The DE 10 2019 107 327 A1 describes an electron imaging device and an electron transfer method for transferring electrons from a sample to an energy analyzer device, set up in particular for pulse- and energy-resolved detection of electrons, such as e.g. B photoelectrons. Furthermore, this invention relates to a single hemisphere type electron spectrometer device equipped with the electron imaging device.

Die DE 10 2013 005 173 C5 offenbart eine Messvorrichtung, die zur Erfassung einer Impuls- und/oder Energieverteilung eines Ensembles geladener Teilchen aus einer zu untersuchenden Probe eingerichtet ist. Diese Erfindung betrifft insbesondere ein parallel abbildendes Flugzeit-Mikroskop zur simultanen Erfassung der Impuls- und Energieverteilung des Ensembles geladener Teilchen, insbesondere von Elektronen aus einer Festkörperoberfläche. Die Vorrichtung umfasst eine elektronenoptische Säule aus mehreren Linsengruppen darunter Zoomlinsen zur Anpassung von Strahlenergie und Bildgröße, ferner Blenden, die erfindungsgemäß lateral verschiebbar sind, eine Niederenergie-Driftstrecke zur Energiedispersion und einen zeitauflösenden Detektor. Diese Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur simultanen Erfassung der Impuls- und Energieverteilung des Ensembles geladener Teilchen.The DE 10 2013 005 173 C5 discloses a measuring device which is set up to detect a momentum and / or energy distribution of an ensemble of charged particles from a sample to be examined. This invention relates in particular to a parallel imaging time-of-flight microscope for the simultaneous detection of the momentum and energy distribution of the ensemble of charged particles, in particular electrons from a solid surface. The device comprises an electron-optical column made up of several lens groups including zoom lenses for adapting beam energy and image size, further diaphragms that can be moved laterally according to the invention, a low-energy drift path for energy dispersion and a time-resolving detector. This invention also relates to a method of simultaneously detecting the momentum and energy distribution of the charged particle ensemble.

Die DE 10 2017 009 299 B3 lehrt eine Vorrichtung zur Analyse einer Probe mittels Elektronen, beinhaltend eine Elektronenoptik zur Erzeugung von Bildern, aus welchen entweder eine räumliche Struktur der Probe oder die Winkelverteilung der aus der Probe kommenden Elektronen jeweils in Kombination mit der Energieverteilung ermittelbar ist. In den verschiedenen Ausführungsformen findet sich die Kombination von Einfach- oder Doppelhalbkugelanalysator mit einer nachgeschalteten Driftstrecke und zeitauflösendem Detektor.The DE 10 2017 009 299 B3 teaches an apparatus for analyzing a sample by means of electrons, including electron optics for generating images from which either a spatial Structure of the sample or the angular distribution of the electrons coming from the sample can be determined in combination with the energy distribution. In the various embodiments there is a combination of a single or double hemisphere analyzer with a downstream drift path and time-resolving detector.

In allen vorstehend genannten Anordnungen und Verfahren ist die optische Achse der Transferoptiken linear, abgesehen von den Kreisbahnen in den Halbkugelanalysatoren. Bis auf die natürlich vorhandene chromatische Aberration der Transferoptiken bestehen keinerlei aktive Vorkehrungen zur Unterdrückung unerwünschter Energien, die in den Analysatoren zu Untergrund oder Artefaktsignalen führen. Für diese Instrumente und viele weitere hier nicht aufgeführte Geräte ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Reduzierung des Untergrundes sehr vorteilhaft.In all of the above-mentioned arrangements and methods, the optical axis of the transfer optics is linear, apart from the circular paths in the hemisphere analyzers. Apart from the naturally present chromatic aberration of the transfer optics, there are no active precautions whatsoever for suppressing undesired energies that lead to background or artifact signals in the analyzers. For these instruments and many other devices not listed here, the device according to the invention for reducing the subsurface is very advantageous.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:

• 1: eine schematische Querschnittsansicht einer ersten einfachen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zweifach segmentierter optischer Säule in Verbindung mit einem konventionellen Halbkugelanalysator;
• 2: eine schematische Querschnittsansicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zweifach segmentierter optischer Säule in Verbindung mit einem Halbkugelanalysator in der Betriebsart eines Impulsmikroskops;
• 3: eine schematische Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zweifach segmentierter optischer Säule in Verbindung mit einem Flugzeit-Analysator;
• 4: eine schematische Querschnittsansicht einer weiteren Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit dreifach segmentierter optischer Säule in Verbindung mit einem Flugzeit-Analysator;
• 5 (A-E): berechnete realistische Elektronentrajektorien (B-E) für die Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus 4;
• 6: eine schematische Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zweifach segmentierter optischer Säule in Verbindung mit einem abbildenden Spinfilter und einem Flugzeit-Analysator;
• 7: schematische Darstellungen von Deflektorvorrichtungen bestehend aus einem elektrostatischen Oktupolelement (A) und der Kombination eines Oktupolelements mit einem Zylindersegmentablenker (B);
• 8: eine schematische Illustration eines herkömmlichen Halbkugelanalysators ohne die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Untergrundunterdrückung (Stand der Technik).

Further details and advantages of the invention will become apparent from the following description of the accompanying drawings. Show it:

• 1 : a schematic cross-sectional view of a first simple embodiment of the device according to the invention with a double-segmented optical column in connection with a conventional hemispherical analyzer;
• 2 : a schematic cross-sectional view of a further preferred embodiment of the device according to the invention with a doubly segmented optical column in connection with a hemisphere analyzer in the operating mode of a pulse microscope;
• 3 : a schematic cross-sectional view of a further embodiment of the device according to the invention with a double-segmented optical column in connection with a time-of-flight analyzer;
• 4th : a schematic cross-sectional view of a further variant of the device according to the invention with a triple-segmented optical column in connection with a time-of-flight analyzer;
• 5 (AE) : calculated realistic electron trajectories (BE) for the variant of the device according to the invention 4th ;
• 6th : a schematic cross-sectional view of a further embodiment of the device according to the invention with a doubly segmented optical column in connection with an imaging spin filter and a time-of-flight analyzer;
• 7th : schematic representations of deflector devices consisting of an electrostatic octupole element (A) and the combination of an octupole element with a cylinder segment deflector (B);
• 8th : a schematic illustration of a conventional hemispherical analyzer without the device according to the invention for background suppression (prior art).

1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektronen-Abbildungsvorrichtung 100 in Gestalt eines zweifach segmentierten elektronenoptischen Transportsystems das für einen Transfer einer Elektronenverteilung 2 von einer Elektronen emittierenden Probe 1 zu einer Halbkugel-Energieanalysatorvorrichtung 200 mit Elektronendetektor 300 eingerichtet ist, umfassend ein probenseitiges erstes Segment 10 mit optischer Achse OA1 und ein analysatorseitiges zweites Segment 30 mit optischer Achse OA2, welche um einen Winkel α gegen die Achse OA1 verkippt ist. Das probenseitige Segment 10 beinhaltet eine erste Linsengruppe 11, die ein erstes Impulsbild 3 in der ersten reziproken Bildebene RP1 innerhalb der Linsengruppe und ein erstes Gaußbild 12 in der ersten Bildebene GP1 im Zentrum einer Feldblende 13 erzeugt, gefolgt von einer zweiten Linsengruppe 14, welche die Elektronen in ein zweites Impulsbild 15 in einer zweiten reziproken Bildebene RP2 im Schnittpunkt der beiden optischen Achsen OA1 und OA2 fokussiert. 1 Fig. 3 shows a first embodiment of the electron imaging device of the present invention 100 in the form of a doubly segmented electron-optical transport system that for a transfer of an electron distribution 2 from an electron-emitting sample 1 to a hemispherical energy analyzer device 200 with electron detector 300 is set up, comprising a sample-side first segment 10 with optical axis OA1 and a second segment on the analyzer side 30th with optical axis OA2 which at an angle α against the axis OA1 is tilted. The sample-side segment 10 includes a first lens group 11 having a first impulse picture 3 in the first reciprocal image plane RP1 within the lens group and a first Gaussian image 12th in the first image plane GP1 in the center of a field stop 13th followed by a second lens group 14th , which the electrons in a second pulse pattern 15th in a second reciprocal image plane RP2 at the intersection of the two optical axes OA1 and OA2 focused.

Eine Deflektoreinheit 20 im Schnittpunkt der optischen Achsen OA1 und OA2 überträgt auf die durchfliegenden Elektronen einen Transversalimpuls, dessen Größe von der kinetischen Energie abhängt, sodass das durch die dritte Linsengruppe 31 in der Ebene GP2 erzeugte zweite Gaußbild 32 von der Selektorblende 33 in einem reduzierten Energieintervall durchgelassen wird, siehe schematisch dargestellte durchgezogene Trajektorien, während Elektronen außerhalb dieses Energieintervalls die Blende 33 nicht passieren können und so aus dem Strahl eliminiert werden, siehe gestrichelte Trajektorien.A deflector unit 20th at the intersection of the optical axes OA1 and OA2 transmits a transverse impulse to the electrons flying through, the size of which depends on the kinetic energy, so that it passes through the third lens group 31 in the plane GP2 generated second Gaussian image 32 from the selector panel 33 is let through in a reduced energy interval, see the solid trajectories shown schematically, while electrons outside this energy interval open the aperture 33 cannot pass and thus be eliminated from the beam, see dashed trajectories.

Das erfindungsgemäße Verfahren nach 1 dient zur Unterdrückung von Untergrundsignalen, welche durch Streuprozesse von Elektronen mit höheren oder niedrigeren Energien im Halbkugel-Energieanalysator 200 entstehen. Zu langsame Elektronen können auf die Innenkugelelektrode 202 und zu schnelle Elektronen auf die Außenkugelelektrode 203 auftreffen und dort störende Streu- und Sekundärelektronen auslösen. Im hier gezeigten einfachsten Fall ist die Selektorblende 33 identisch mit der Eintrittsblende 201; im allgemeinen Fall kann ein weiteres Linsenelement zwischen Blenden 33 und 201 angeordnet sein. In der hier gezeigten Ausführungsform ist ferner der ortsauflösende Detektor 300 direkt in der Austrittsebene des Halbkugelanalysators angeordnet. Die Eintrittsblende 201 kann als Kreisblende oder als Schlitzblende ausgeführt sein.The inventive method according to 1 serves to suppress background signals caused by scattering processes of electrons with higher or lower energies in the hemispherical energy analyzer 200 arise. Electrons that are too slow can hit the inner sphere electrode 202 and electrons too fast on the outer sphere electrode 203 strike and trigger interfering scatter and secondary electrons there. The simplest case shown here is the selector aperture 33 identical to the entrance panel 201 ; in the general case, a further lens element can be placed between apertures 33 and 201 be arranged. In the embodiment shown here, there is also the spatially resolving detector 300 arranged directly in the exit plane of the hemisphere analyzer. The entrance panel 201 can be designed as a circular aperture or as a slit aperture.

Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in allen schematischen Querschnitten ein übertrieben großer Ablenkwinkel von α = 5° gezeichnet. Laut Simulationen sind kleinere Winkel von ca. 2-4° für das erfindungsgemäße Verfahren ausreichend.For the sake of clarity, an exaggeratedly large deflection angle of α = 5 ° is shown in all schematic cross-sections. According to simulations, smaller angles of approximately 2-4 ° are sufficient for the method according to the invention.

2 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektronen-Abbildungsvorrichtung 100, identisch aufgebaut wie in 1, in Verbindung mit einer Halbkugel-Energieanalysatorvorrichtung 200 in der Betriebsart eines Impulsmikroskops. In Erweiterung von 1 umfasst der Halbkugelanalysator bei dieser Betriebsart zusätzlich zu Eintrittsblende 201, Innenkugelelektrode 202 und Außenkugelelektrode 203 eine Austrittsblende 204 und eine nachfolgende Austrittslinsengruppe 205 zur Erzeugung eines Impulsbildes 206 auf dem ortsauflösenden Elektronendetektor 300. Das erfindungsgemäße Verfahren der Abtrennung von Elektronen mit zu hohen oder zu niedrigen Energien in der Selektorblende 33 durch die kombinierte Wirkung der ersten, zweiten und dritten Linsengruppen 11, 14, 31 und der Deflektoreinheit 20 ist identisch wie in 1. 2 Figure 3 shows another preferred embodiment of the electron imaging device of the present invention 100 , structured identically as in 1 , in conjunction with a hemispherical energy analyzer device 200 in the mode of a pulse microscope. As an extension of 1 includes the hemisphere analyzer in this operating mode in addition to the entrance aperture 201 , Inner ball electrode 202 and outer sphere electrode 203 an exit aperture 204 and a subsequent exit lens group 205 to generate a pulse image 206 on the spatially resolving electron detector 300 . The inventive method of separating electrons with too high or too low energies in the selector diaphragm 33 by the combined effect of the first, second and third lens groups 11 , 14th , 31 and the deflector unit 20th is identical to in 1 .

3 zeigt die erfindungsgemäße Elektronen-Abbildungsvorrichtung 100, identisch aufgebaut wie in 1, bei der Nutzung in Verbindung mit einer Flugzeit-Energieanalysatorvorrichtung 400. Der Flugzeit-Analysator umfasst eine Eintrittslinsengruppe 42, welche über eine niederenergetische Driftstrecke 43 ein Impulsbild 44 in die dritte reziproke Ebene RP3 auf den orts- und zeitauflösenden Elektronendetektor 500 fokussiert. 3 shows the electron imaging device of the present invention 100 , structured identically as in 1 when used in conjunction with a time-of-flight energy analyzer device 400 . The time-of-flight analyzer includes an entrance lens group 42 , which over a low-energy drift path 43 an impulse picture 44 to the third reciprocal level RP3 on the spatially and time-resolved electron detector 500 focused.

Schematisch dargestellt sind die Trajektorien der Elektronen mit kinetischen Energien in dem zu untersuchenden Energieintervall (durchgezogene Linien) und für ein Untergrundsignal mit zu hoher Energie (gestrichelte Trajektorien). Diese Art von Untergrund tritt z.B. bei der Photoemission von inneren Schalen oder bei der Existenz von höheren Ordnungen im anregenden Röntgenstrahl auf.The trajectories of the electrons with kinetic energies in the energy interval to be examined (solid lines) and for a background signal with too high energy (dashed trajectories) are shown schematically. This type of background occurs, for example, with the photoemission of inner shells or with the existence of higher orders in the exciting X-ray beam.

Diese Anwendung erfordert eine gepulste Lichtquelle. Die Energie der vom Detektor 500 registrierten Elektronen wird aus der Flugzeit der Elektronen von der Probe 1 zum Detektor 500 bestimmt. Das erfindungsgemäße Verfahren der Abtrennung von Elektronen mit zu hohen oder zu niedrigen Energien in der Selektorblende 33 durch die kombinierte Wirkung der ersten bis dritten Linsengruppen 11, 14, 31 und der Deflektoreinheit 20 ist identisch wie in 1 und 2. Das erfindungsgemäße Verfahren nach 3 dient zur Unterdrückung von Artefaktsignalen in den Zeitspektren, die in konventionellen Anordnungen mit linearer elektronenoptischer Säule durch zufällige zeitliche Koinzidenz von Elektronen mit höheren oder niedrigeren Energien im Vergleich zum gewünschten Signal entstehen.This application requires a pulsed light source. The energy of the detector 500 Registered electrons are derived from the time of flight of the electrons from the sample 1 to the detector 500 certainly. The inventive method of separating electrons with too high or too low energies in the selector diaphragm 33 through the combined effect of the first to third lens groups 11 , 14th , 31 and the deflector unit 20th is identical to in 1 and 2 . The inventive method according to 3 serves to suppress artifact signals in the time spectra that arise in conventional arrangements with a linear electron-optical column due to the random temporal coincidence of electrons with higher or lower energies compared to the desired signal.

4 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektronen-Abbildungsvorrichtung 100 bei der Nutzung in Verbindung mit einer Flugzeit-Energieanalysatorvorrichtung 400. Abweichend von 1 - 3 besteht die Gesamtanordnung hier aus einer dreifach segmentierten optischen Säule, wobei die ersten beiden Segmente mit optischen Achsen OA1 und OA2 identisch mit 1 - 3 sind, und einem zusätzlichen dritten Segment mit optischer Achse OA3, welche parallel zu OA1 orientiert ist. Eine zweite Deflektorvorrichtung 41 unmittelbar hinter der zweiten Gaußebene GP2 am Eintritt der Flugzeit-Energieanalysatorvorrichtung 400 bewirkt eine zweite Strahlablenkung mit dem Winkel -α, sodass die Achse OA3 des Strahlenbündels im dritten Segment wieder parallel zum ersten Segment verläuft und von der Eintrittslinsengruppe 42 über die Driftstrecke 43 als Impulsbild 44 in die dritte reziproke Ebene RP3 auf den zeit- und ortsauflösenden Detektor 500 fokussiert wird. 4th Fig. 10 shows another embodiment of the electron imaging device of the present invention 100 when used in conjunction with a time-of-flight energy analyzer device 400 . Deviating from 1 - 3 the overall arrangement here consists of a triple segmented optical column, the first two segments with optical axes OA1 and OA2 identical with 1 - 3 and an additional third segment with an optical axis OA3 which parallel to OA1 is oriented. A second deflector device 41 immediately behind the second Gaussian plane GP2 at the entry of the time-of-flight energy analyzer device 400 causes a second beam deflection with the angle - α so that the axis OA3 of the beam in the third segment again runs parallel to the first segment and from the entrance lens group 42 over the drift route 43 as an impulse picture 44 to the third reciprocal level RP3 on the time and position resolving detector 500 is focused.

Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt in der Geometrie der Gesamtanordnung. Bei einem Ablenkwinkel von α = 3° und einer angenommenen Länge von 120 mm zwischen erstem Deflektor 20 und zweitem Deflektor 41 beträgt der Strahlversatz zwischen den optischen Achsen OA1 und OA3 nur 6 mm, sodass der gesamte mechanische Aufbau in einem linearen Tragrohr und Vakuumrohr untergebracht werden kann.The advantage of this embodiment lies in the geometry of the overall arrangement. With a deflection angle of α = 3 ° and an assumed length of 120 mm between the first deflector 20th and second deflector 41 is the beam offset between the optical axes OA1 and OA3 only 6 mm, so that the entire mechanical structure can be accommodated in a linear support tube and vacuum tube.

5A zeigt die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektronen-Abbildungsvorrichtung 100 wie in 4. Die 5B bis 5E zeigen simulierte Trajektorien für verschiedene kinetische Energien, berechnet unter Zugrundelegung eines realistischen elektronenoptischen Systems. Als Sollenergie bezeichnen wir die Mitte der durch die Selektorblende 33 transmittierten Verteilung von kinetischen Energien. In der Simulation wurde eine Sollenergie von 60 eV angenommen. Bei einer kinetischen Energie von 40 eV (B) wird das Strahlenbündel vom Deflektor 20 deutlich zu stark abgelenkt, in der zweiten Gaußebene GP2 auf einen kleinen Fleck fokussiert und von der Selektorblende 33 ausgeblendet. Bei der korrekten Sollenergie von 60 eV (C) wird das fokussierte Strahlenbündel von der Selektorblende 33 durchgelassen und im nachfolgenden dritten Segment von Deflektor 41 auf die optische Achse OA3 abgelenkt und von Linsengruppe 42 über Driftstrecke 43 als Impulsbild 44 auf den zeitauflösenden Detektor 500 fokussiert. Bei einer kinetischen Energie von 80 eV (D) wird das Strahlenbündel zu schwach abgelenkt und bei einer kinetischen Energie von 300 eV (E) wird es noch schwächer abgelenkt. Nach dem Ähnlichkeitssatz ist das relative Verhalten prozentual für beliebige Sollenergien identisch, solange eine gute Abbildung möglich ist, d.h. im Fall von ausreichender Magnetfeldabschirmung bis herab zu wenigen eV. 5A Fig. 10 shows the embodiment of the electron imaging device of the present invention 100 as in 4th . The 5B to 5E show simulated trajectories for different kinetic energies, calculated on the basis of a realistic electron-optical system. We call the setpoint energy the middle of the through the selector diaphragm 33 transmitted distribution of kinetic energies. A target energy of 60 eV was assumed in the simulation. At a kinetic energy of 40 eV (B), the beam is released from the deflector 20th Distracted clearly too much, in the second Gaussian plane GP2 focused on a small spot and off the selector diaphragm 33 hidden. With the correct nominal energy of 60 eV (C), the focused beam is from the selector diaphragm 33 let through and in the following third segment of deflector 41 on the optical axis OA3 distracted and by lens group 42 over drift route 43 as an impulse picture 44 on the time-resolving detector 500 focused. With a kinetic energy of 80 eV (D) the beam is deflected too weakly and with a kinetic energy of 300 eV (E) it is deflected even less. According to the similarity principle, the relative behavior is identical in percentage terms for any desired energies, as long as a good image is possible, ie in the case of sufficient magnetic field shielding down to a few eV.

Bei einer gegebenen Sollenergie hängt die Breite der von Selektorblende 33 transmittierten Verteilung von der Linsengeometrie, dem Winkel α zwischen den Achsen OA1 und OA2, dem Vergrößerungsverhältnis der Gaußbilder in Blende 13 und Blende 33 sowie von den Blendendurchmessern ab. Typisch für Impulsmikroskope sind Feldblenden mit Durchmessern im Bereich von 100 - 500 µm für Standardanwendungen und bis hinab zu 10 µm für hoch-ortsauflösende Messungen bei hinreichend hoher Beleuchtungsintensität. Für die Simulationen in 5B-E wurde eine Feldblende von 100 µm und ein Ablenkwinkel von α = 3° angenommen. Damit wird die transmittierte Verteilung der kinetischen Energien auf ca. 10 % der Passenergie begrenzt, im simulierten Beispiel also auf 6 eV, was der typischen Breite einer Valenzelektronenverteilung in der Photoemission entspricht.For a given target energy, the width of the selector diaphragm depends 33 transmitted distribution from the lens geometry, the angle α between the axles OA1 and OA2 , the enlargement ratio of the Gaussian images in aperture 13th and aperture 33 as well as the aperture diameter. Typical for pulse microscopes are field diaphragms with diameters in the range from 100 - 500 µm for standard applications and down to 10 µm for high-spatial-resolution measurements with sufficiently high illumination intensity. For the simulations in 5B-E a field stop of 100 µm and a deflection angle of α = 3 ° was assumed. This limits the transmitted distribution of the kinetic energies to approx. 10% of the passenger energy, in the simulated example to 6 eV, which corresponds to the typical width of a valence electron distribution in the photoemission.

6 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektronen-Abbildungsvorrichtung 100 bei der Nutzung in Verbindung mit einem Flugzeit-Analysator 400 wie in 3 und einem zusätzlichen abbildenden Spinfilter 600, bestehend aus einer Spinfilter-Linsengruppe 61 und einem Spinfilterkristall 62 gefolgt von dem Flugzeit-Analysator 400, in welchem das Strahlenbündel von der Eintrittslinsengruppe 42 über die niederenergetische Driftstrecke 43 in ein Impulsbild 44 auf dem orts- und zeitauflösenden Detektor 500 fokussiert wird. 6th Fig. 10 shows another embodiment of the electron imaging device of the present invention 100 when used in conjunction with a time-of-flight analyzer 400 as in 3 and an additional imaging spin filter 600 , consisting of a spin filter lens group 61 and a spin filter crystal 62 followed by the time-of-flight analyzer 400 in which the bundle of rays from the entrance lens group 42 over the low-energy drift route 43 in an impulse picture 44 on the location and time resolving detector 500 is focused.

Der Spinfilterkristall 62 ist unter dem für die Spinanalyse benötigten Streuwinkel angebracht und der an seiner Oberfläche reflektierte Strahl tritt in den Flugzeit-Analysator 400 ein. Für Elektronen mit der korrekten Streuenergie wirkt der Spinfilterkristall wie ein polarisationsselektiver Spiegel. Alternativ kann ein abbildender Spinfilter auch hinter der Austrittsblende eines Halbkugelanalysators wie in 2 angeordnet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren nach 6 dient zur Unterdrückung von Untergrundbeiträgen im spingefilterten Impulsbild 44. Solche Beiträge entstehen einerseits durch Streuung von Untergrundelektronen im einfallenden Strahl oder durch Auslösung von Sekundärelektronen im Spinfilterkristall selbst.The spin filter crystal 62 is attached at the scattering angle required for the spin analysis and the beam reflected on its surface enters the time-of-flight analyzer 400 a. For electrons with the correct scattering energy, the spin filter crystal acts like a polarization-selective mirror. Alternatively, an imaging spin filter can also be installed behind the exit aperture of a hemispherical analyzer as in 2 to be ordered. The inventive method according to 6th serves to suppress background contributions in the spin-filtered pulse image 44 . Such contributions arise on the one hand from the scattering of background electrons in the incident beam or from the release of secondary electrons in the spin filter crystal itself.

7 zeigt schematische Darstellungen von zwei bevorzugten Ausführungsformen der Deflektorvorrichtung 20, die für eine Optimierung der Abbildungseigenschaften eingerichtet sind. In 7A besteht der Deflektor aus einem Oktupolelement mit Elektroden 21 (gezeichneter Ablenkwinkel α = 5°), in 7B ist hinter dem Oktupolelement ein Zylindersegmentablenker mit Außenelektrode 22 und Innenelektrode 23 angeordnet (gezeichneter Ablenkwinkel α = 20°). Für sehr kleine Ablenkwinkel bis α = 2° sind gemäß der Simulationen die Aberrationen eines einfachen Ablenkplattenpaars noch vernachlässigbar. Für Ablenkwinkel um α = 5° ist ein Oktupol-Ablenker vorteilhaft. Der Vorteil der Ausformung des Ablenkers als Oktupol liegt in der zusätzlichen Möglichkeit, diesen als Stigmator zu betreiben und so einen durch die Ablenkung induzierten Astigmatismus zu korrigieren. Der Oktupol-Ablenker bietet ferner den Vorteil, dass die Ablenkebene in jeder beliebigen azimutalen Orientierung eingestellt werden kann und so mögliche Bilddrehungen durch magnetische Streufelder ausgeglichen werden können. 7th Figure 3 shows schematic representations of two preferred embodiments of the deflector device 20th that are set up to optimize the imaging properties. In 7A the deflector consists of an octupole element with electrodes 21 (drawn deflection angle α = 5 °), in 7B is behind the octupole element a cylinder segment deflector with an outer electrode 22nd and inner electrode 23 arranged (drawn deflection angle α = 20 °). According to the simulations, the aberrations of a simple pair of deflection plates are still negligible for very small deflection angles up to α = 2 °. An octupole deflector is advantageous for deflection angles around α = 5 °. The advantage of shaping the deflector as an octupole is the additional option of operating it as a stigmator and thus correcting an astigmatism induced by the deflection. The octupole deflector also offers the advantage that the deflection plane can be set in any azimuthal orientation and thus possible image rotations can be compensated for by magnetic stray fields.

Wichtige Bedingungen für die Minimierung des Astigmatismus durch die Ablenkeinheit ist, dass im zweiten Segment 30 der optischen Säule das Elektronenbündel im gewünschten Energiebereich parallel zur optischen Achse OA2 verläuft und so zentrisch durch die Linsengruppe 31 hindurchtritt. Ohne die erfindungsgemäße Kippung des Segments 30 führt der Astigmatismus bereits bei α = 2° zu einer deutlichen Verschlechterung der Abbildungseigenschaften.Important conditions for the minimization of the astigmatism by the deflection unit is that in the second segment 30th of the optical column the electron beam in the desired energy range parallel to the optical axis OA2 runs and so centrically through the lens group 31 passes through. Without tilting the segment according to the invention 30th the astigmatism already leads to a significant deterioration in the imaging properties at α = 2 °.

Durch Erzeugung eines Impulsbildes 15 mit parallelen Strahlenbündeln im Zentrum des Ablenkers wird gewährleistet, dass alle Elektronen mit derselben Energie die gleiche Ablenkung erfahren. Im angenommenen Fall eines homogenen elektrischen Feldes im Deflektor nimmt der Transversalimpuls der Elektronen p⊥ (kleine vertikalen Pfeile in 7A) linear mit ihrer Durchflugzeit zu: p⊥ = mat (m Elektronenmasse, a transversale Beschleunigung durch das Ablenkfeld, t Durchflugzeit). Die Durchflugzeit und damit auch der Impulsübertrag nimmt mit wachsender Energie der Elektronen proportional zu 1/(√E_kin) ab (E_kin kinetische Energie). Die Strahlablenkung führt folglich zu einer energieabhängigen lateralen Verschiebung des Gaußbildes 32 strahlabwärts des Ablenkers in Ebene GP2. Durch diese Verschiebung wird erreicht, dass die Selektorblende 33 nur die Elektronen im gewünschten Energieintervall durchlässt.By generating an impulse image 15th with parallel bundles of rays in the center of the deflector it is ensured that all electrons with the same energy experience the same deflection. In the assumed case of a homogeneous electric field in the deflector, the transverse momentum of the electrons p⊥ (small vertical arrows in 7A) linear with their flight time to: p⊥ = mat (m electron mass, a transverse acceleration through the deflection field, t flight time). The through flight time and hence the momentum transfer increases with increasing energy of the electrons is proportional to 1 / (√E _kin) from (E _kin kinetic energy). The beam deflection consequently leads to an energy-dependent lateral shift of the Gaussian image 32 downstream of the deflector in plane GP2 . This shift ensures that the selector diaphragm 33 only lets through the electrons in the desired energy interval.

Gewünschte Breiten des selektierten Energieintervalls liegen zwischen wenigen eV für Untersuchungen von elektronischen Valenzbändern von Festkörpern und bis zu ca. 100 eV für Untersuchungen an Photoelektronen aus inneren Schalen und von Auger-Elektronen. Im Einzelfall können sehr kleine Energiebreiten von Interesse sein, welche nur mit deutlich größeren Ablenkwinkeln realisierbar sind. Für Winkel im Bereich α = 10° und darüber werden die Aberrationen eines einzelnen Oktupolablenkers zu groß, weil das Elektronenbündel zu schräg in den Ablenker eintritt. Für solche Fälle ist ein Zylindersegment-Ablenker (siehe 7B) besser geeignet, weil das Elektronenbündel parallel zur gekrümmten optischen Achse ein- und austritt. Die Fokussierungswirkung eines kurzen Zylindersegments (in 7B gezeichnet für α = 20°) wird durch einen vorgeschalteten Oktupolstigmator kompensiert. Mit großen Ablenkwinkeln α und kleinen Feldblenden 13 und Selektorblenden 33 kann das Energieintervall des durchgelassenen Strahlenbündels auf Breiten von 100 meV oder weniger reduziert werden kann, sodass die erfindungsgemäße Vorrichtung bereits die Funktion eines impulsauflösenden Elektronen-Energieanalysators mit moderater Auflösung erfüllt, ohne dass ein weiterer Analysator nachgeschaltet ist. Dies kann insbesondere für Testmessungen oder Übersichtsspektren vor den eigentlichen hochauflösenden Messungen bzw. für Spektroskopie an inneren Schalen interessant sein.The desired widths of the selected energy interval are between a few eV for investigations of electronic valence bands of solids and up to approx. 100 eV for investigations on photoelectrons from inner shells and Auger electrons. In individual cases, very small energy widths can be of interest, which can only be achieved with significantly larger deflection angles. For angles in the range α = 10 ° and above, the aberrations of a single octupole deflector are too large because the electron beam enters the deflector too obliquely. A cylinder segment deflector (see 7B) better suited because the electron beam enters and exits parallel to the curved optical axis. The focusing effect of a short cylinder segment (in 7B drawn for α = 20 °) is compensated by an upstream octupole stigmator. With large angles of deflection α and small field apertures 13th and selector panels 33 the energy interval of the transmitted beam can be reduced to widths of 100 meV or less, so that the device according to the invention already fulfills the function of a pulse-resolving electron energy analyzer with moderate resolution, without a further analyzer being connected downstream. This can be of particular interest for test measurements or overview spectra before the actual high-resolution measurements or for spectroscopy on inner shells.

8 zeigt eine schematische Illustration eines herkömmlichen Halbkugelanalysators ohne die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Untergrundunterdrückung (Stand der Technik). Das Eintrittslinsensystem 10 ist nicht segmentiert und hat eine lineare optische Achse OA. Im Eintrittslinsensystem gibt es keine aktiven Vorkehrungen zur Unterdrückung von Elektronen mit zu hohen oder zu niedrigen Energien, sodass zu schnelle Elektronen auf die Außenkugelelektrode 203 (gestrichelte Trajektorien) und zu langsame Elektronen auf die Innenkugelelektrode 202 treffen und dort Untergrundelektronen auslösen können. 8th shows a schematic illustration of a conventional hemispherical analyzer without the device according to the invention for background suppression (prior art). The entry lens system 10 is not segmented and has a linear optical axis OA . In the entry lens system, there are no active provisions for suppressing electrons with energies that are too high or too low, so that electrons that are too fast hit the outer sphere electrode 203 (dashed trajectories) and too slow electrons on the inner sphere electrode 202 and can trigger underground electrons there.

Literaturliste zum technischen Hintergrund der ErfindungList of literature on the technical background of the invention

• [1] S. Hüfner, Photoelectron spectroscopy: Principles and applications, Advanced Texts in Physics (Springer, 2003)[1] S. Hüfner, Photoelectron spectroscopy: Principles and applications, Advanced Texts in Physics (Springer, 2003)
• [2] EP 1 559 126 B9 ;[2] EP 1 559 126 B9 ;
• [3] DE 10 2014 019 408 B4 , 2017.02.09;[3] DE 10 2014 019 408 B4 , 02.09.2017;
• [4] US 6 104 029 A ;[4] U.S. 6,104,029 A ;
• [5] DE 10 2019 107 327 A1 ;[5] DE 10 2019 107 327 A1 ;
• [6] DE 10 2013 005 173 C5 , 2019.04.04 und DE 10 2013 005 173 A1 ;[6] DE 10 2013 005 173 C5 , 04.04.2019 and DE 10 2013 005 173 A1 ;
• [7] DE 10 2017 009 299 B3 , 2019.02.21;[7] DE 10 2017 009 299 B3 , 2019.02.21;
• [8] DE 10 2005 045 622 B4 , 2009.04.30;[8th] DE 10 2005 045 622 B4 , 2009/04/30;
• [9] K. Medjanik et al., Progress in HAXPES Performance Combining Full-Field k-Imaging with Time-of-Flight Recording, Journal of Synchrotron Radiation 26, 1996-2012 (2019) ;[9] K. Medjanik et al., Progress in HAXPES Performance Combining Full-Field k-Imaging with Time-of-Flight Recording, Journal of Synchrotron Radiation 26, 1996-2012 (2019) ;
• [10] A. Oelsner et al., Microspectroscopy and imaging using a delay line detector in time-of-flightphotoemission microscopy, Rev. Sci. Instrum. 72, 3968-3974 (2001) ;[10] A. Oelsner et al., Microspectroscopy and imaging using a delay line detector in time-of-flight photoemission microscopy, Rev. Sci. Instrum. 72, 3968-3974 (2001) ;
• [11] C. Tusche et al., Multi-MHz time-of-flight electronic bandstructure imaging of graphene on Ir(111), Appl. Phys. Lett. 108, 261602 (2016) ;[11] C. Tusche et al., Multi-MHz time-of-flight electronic bandstructure imaging of graphene on Ir (111), Appl. Phys. Lett. 108, 261602 (2016) ;
• [12] K. Medjanik et al., Rapid 3D Mapping ofthe Fermi Surface and Fermi Velocity, Nature Materials 16, 615 (2017) ;[12] K. Medjanik et al., Rapid 3D Mapping of the Fermi Surface and Fermi Velocity, Nature Materials 16, 615 (2017) ;
• [13] M. Kolbe et al., Highly Efficient Multichannel Spin-Polarization Detection, Phys. Rev. Letters 107, 207601 (2011) ;[13] M. Kolbe et al., Highly Efficient Multichannel Spin-Polarization Detection, Phys. Rev. Letters 107, 207601 (2011) ;
• [14] J. Kessler, Polarized Electrons, Springer-Verlag, Berlin, (1985 2^nd Edition);[14] J. Kessler, Polarized Electrons, Springer-Verlag, Berlin, (1985 2 ^nd Edition);
• [15] P. Adamec et al., Compact low-energy electron microscope for surface imaging, Review of scientific instruments 69 (1998), S. 3583 - 3587 ;[15] P. Adamec et al., Compact low-energy electron microscope for surface imaging, Review of scientific instruments 69 (1998), pp. 3583-3587 ;
• [16] K. Grzelakowski et al., A new surface microscope for magnetic imaging, IEEE Transactions on Magnetics 30 (1994), S. 4500 - 4502 ;[16] K. Grzelakowski et al., A new surface microscope for magnetic imaging, IEEE Transactions on Magnetics 30 (1994), pp. 4500-4502 ;
• [17] L. H. Veneklasen, Design of a spectroscope low-energy electron microscope, Ultramicroscopy 36 (1991), S. 76 - 90 ;[17] LH Veneklasen, Design of a spectroscope low-energy electron microscope, Ultramicroscopy 36 (1991), pp. 76-90 ;
• [18] E. Essers et al., Energy resolution of an Omega-type monochromator and imaging properties of the MANDOLINE filter, Ultramicroscopy 110 (2010), S. 971 - 980 .[18] E. Essers et al., Energy resolution of an Omega-type monochromator and imaging properties of the MANDOLINE filter, Ultramicroscopy 110 (2010), pp. 971-980 .

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11

Probesample

22

ElektronenverteilungElectron distribution

33

erstes Impulsbildfirst impulse image

100100

erfindungsgemäße AbbildungsvorrichtungImaging device according to the invention

1010

probenseitiges Segment der erfindungsgemäßen Abbildungsvorrichtungsample-side segment of the imaging device according to the invention

1111

erste Linsengruppefirst lens group

1212th

erstes Gaußbildfirst Gaussian image

1313th

FeldblendeField stop

1414th

zweite Linsengruppesecond lens group

1515th

zweites Impulsbildsecond impulse image

2020th

DeflektorvorrichtungDeflector device

2121

OktupolelektrodeOctupole electrode

2222nd

AußenzylinderelektrodeOuter cylinder electrode

2323

InnenzylinderelektrodeInner cylinder electrode

3030th

analysatorseitiges Segment der erfindungsgemäßen Abbildungsvorrichtunganalyzer-side segment of the imaging device according to the invention

3131

dritte Linsengruppethird lens group

3232

zweites Gaußbildsecond Gaussian image

3333

SelektorblendeSelector panel

200200

Halbkugel-EnergieanalysatorvorrichtungHemispherical energy analyzer device

201201

EintrittsblendeEntrance panel

202202

InnenkugelelektrodeInner ball electrode

203203

AußenkugelelektrodeOuter sphere electrode

204204

AustrittsblendeExit aperture

205205

AustrittslinsengruppeExit lens group

206206

ImpulsbildImpulse image

300300

ortsauflösender Detektorspatially resolving detector

400400

Flugzeit-EnergieanalysatorvorrichtungTime-of-flight energy analyzer device

4141

zweite Deflektorvorrichtungsecond deflector device

4242

Eintrittslinsengruppe des Flugzeit-AnalysatorsEntry lens group of the time-of-flight analyzer

4343

niederenergetische Driftstreckelow-energy drift route

4444

ImpulsbildImpulse image

500500

orts- und zeitauflösender Detektor location and time resolving detector

600600

abbildende Spinfiltervorrichtungimaging spin filter device

6161

Spinfilter-LinsengruppeSpin filter lens group

6262

Spinfilterkristall Spin filter crystal

GP1GP1

erste Gauß'sche Bildebenefirst Gaussian image plane

GP2GP2

zweite Gauß'sche Bildebenesecond Gaussian image plane

GP3GP3

dritte Gauß'sche Bildebenethird Gaussian image plane

RP1RP1

erste reziproke Bildebenefirst reciprocal image plane

RP2RP2

zweite reziproke Bildebenesecond reciprocal image level

RP3RP3

dritte reziproke Bildebenethird reciprocal image level

OA1OA1

optische Achse des probenseitigen Segmentsoptical axis of the sample-side segment

OA2OA2

optische Achse des analysatorseitigen Segmentsoptical axis of the segment on the analyzer side

OA3OA3

optische Achse des dritten Segmentsoptical axis of the third segment

OAOA

optische Achse einer konventionellen Abbildungsvorrichtungoptical axis of a conventional imaging device

αα

KippwinkelTilt angle

p⊥p⊥

TransversalimpulsTransverse momentum

Claims (21)

Abbildungsvorrichtung für Elektronen (100), die für einen Transfer einer Elektronenverteilung (2) von einer Probe (1) zu einer Energieanalysatorvorrichtung eingerichtet ist, umfassend: ein probenseitiges erstes Segment (10), welches eine erste Linsengruppe (11), eine Feldblende (13) und eine zweite Linsengruppe (14) aufweist, wobei die Linsen zur Erzeugung eines ersten Impulsbildes (3) der von der Probe (1) emittierten Elektronenverteilung (2) in der ersten reziproken Bildebene RP1, eines ersten Gaußbildes (12) in der Ebene GP1 und eines zweiten Impulsbildes (15) in der Ebene RP2 eingerichtet ist; eine Deflektorvorrichtung (20), die zentriert bezüglich der Ebene RP2 angeordnet ist; ein analysatorseitiges zweites Segment (30), welches eine dritte Linsengruppe (31) und eine Selektorblende (33) aufweist, wobei die dritte Linsengruppe (31) zur Erzeugung eines zweiten Gaußbildes (32) im Zentrum der Selektorblende (33) in der Ebene GP2 eingerichtet ist; und eine Energieanalysatorvorrichtung mit Elektronendetektor, die zur energieaufgelösten Abbildung der Elektronenverteilung (2) eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Achse (OA2) des analysatorseitigen Segments (30) um einen Winkel (α) von wenigen Grad gegenüber der optischen Achse (OA1) des probenseitigen Segments (10) verkippt ist und sich die Achsen (OA1) und (OA2) im Zentrum der Deflektorvorrichtung (20) schneiden, wobei die Deflektorvorrichtung (20) angeordnet ist, um das Strahlenbündel so abzulenken, dass in dem zweiten Gaußbild (32) in Ebene GP2 nur solche Elektronen die Selektorblende (33) passieren können, deren kinetische Energie im gewünschten Energiebereich liegt, während zu schnelle oder zu langsame Elektronen auf die Selektorblende (33) treffen und aus dem Strahl eliminiert werden, sodass in der Energieanalysatorvorrichtung die Menge an Untergrundelektronen signifikant verringert wird; und der durch die Abbildungsvorrichtung (100) selektierte Energiebereich bei vorgegebener Linsen- und Deflektorgeometrie mittels der Größen von Feldblende (13) und Selektorblende (33) sowie durch die Wahl der kinetischen Energie der Elektronen in der Deflektorvorrichtung (20) eingestellt werden kann.Imaging device for electrons (100), which is set up for a transfer of an electron distribution (2) from a sample (1) to an energy analyzer device, comprising: a sample-side first segment (10) which has a first lens group (11), a field stop (13 ) and a second lens group (14), the lenses for generating a first pulse image (3) of the electron distribution (2) emitted by the sample (1) in the first reciprocal image plane RP1 and a first Gaussian image (12) in the plane GP1 and a second pulse image (15) is established in plane RP2; a deflector device (20) located centered with respect to the plane RP2; a second segment (30) on the analyzer side, which has a third lens group (31) and a selector diaphragm (33), the third lens group (31) being set up to generate a second Gaussian image (32) in the center of the selector diaphragm (33) in the plane GP2 is; and an energy analyzer device with an electron detector, which is set up for energy-resolved imaging of the electron distribution (2), characterized in that the optical axis (OA2) of the segment (30) on the analyzer side is at an angle (α) of a few degrees with respect to the optical axis (OA1) of the sample-side segment (10) is tilted and the axes (OA1) and (OA2) intersect in the center of the deflector device (20), the deflector device (20) being arranged to deflect the beam so that in the second Gaussian image (32 ) in plane GP2 only those electrons can pass the selector diaphragm (33) whose kinetic energy is in the desired energy range, while electrons that are too fast or too slow hit the selector diaphragm (33) and are eliminated from the beam, so that the amount in the energy analyzer device is significantly reduced in background electrons; and the energy range selected by the imaging device (100) for a given lens and deflector geometry can be set by means of the sizes of the field diaphragm (13) and selector diaphragm (33) and by selecting the kinetic energy of the electrons in the deflector device (20). Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieanalysatorvorrichtung einen Halbkugelanalysator (200) mit Eintrittsblende (201), Innenkugelelektrode (202), Außenkugelelektrode (203) und einen nachfolgenden ortsauflösenden Elektronendetektor (300) in der Austrittsebene des Analysators umfasst, wobei die Selektorblende (33) gleichzeitig die Funktion der Eintrittsblende (201) des Halbkugelanalysators (200) erfüllt oder zwischen den Blenden (33) und (201) eine weitere Elektronenlinse angeordnet ist.Imaging device according to Claim 1 , characterized in that the energy analyzer device comprises a hemispherical analyzer (200) with inlet aperture (201), inner spherical electrode (202), outer spherical electrode (203) and a subsequent spatially resolving electron detector (300) in the exit plane of the analyzer, the selector aperture (33) at the same time The function of the entrance aperture (201) of the hemispherical analyzer (200) is fulfilled or a further electron lens is arranged between the apertures (33) and (201). Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieanalysatorvorrichtung einen Halbkugelanalysator (200) mit Eintrittsblende (201), Innenkugelelektrode (202) und Außenkugelelektrode (203), jedoch in der Betriebsart eines Impulsmikroskops umfasst, wobei in der Austrittsebene eine Austrittsblende (204) und weiter strahlabwärts eine Austrittslinsengruppe (205) angeordnet ist, die ein Impulsbild (206) auf dem ortsauflösenden Elektronendetektor (300) erzeugt.Imaging device according to Claim 1 , characterized in that the energy analyzer device comprises a hemispherical analyzer (200) with an entrance aperture (201), inner spherical electrode (202) and outer spherical electrode (203), but in the operating mode of a pulse microscope, with an exit aperture (204) in the exit plane and an exit lens group further downstream (205) is arranged, which generates a pulse image (206) on the spatially resolving electron detector (300). Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieanalysatorvorrichtung einen Flugzeit-Analysator (400) mit Eintrittslinsengruppe (42) zur Fokussierung der Elektronen durch die niederenergetische Driftstrecke (43) in ein Impulsbild (44) am Eingang eines nachfolgenden orts- und zeitauflösenden Detektors (500) umfasst, wobei die Selektorblende (33) gleichzeitig die Funktion der Eintrittsblende des Flugzeit-Analysators (400) erfüllt.Imaging device according to Claim 1 , characterized in that the energy analyzer device comprises a time-of-flight analyzer (400) with an entrance lens group (42) for focusing the electrons through the low-energy drift path (43) in a pulse image (44) at the entrance of a subsequent spatially and time-resolving detector (500), wherein the selector diaphragm (33) simultaneously fulfills the function of the entrance diaphragm of the time-of-flight analyzer (400). Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass am Eintritt des Flugzeit-Analysators (400) eine zweite Deflektorvorrichtung (41) angeordnet ist, welche eine Strahlablenkung um den komplementären Winkel (-α) bewirkt, sodass die optische Achse (OA3) des Flugzeit-Analysators (400) wieder parallel zur optischen Achse (OA1) des ersten Segments verläuft und der Parallelversatz zwischen (OA1) und (OA3) nur wenige mm beträgt, sodass die Gesamtanordnung in einem geraden Tragrohr und geraden Vakuumrohr untergebracht werden kann.Imaging device according to Claim 4 , characterized in that a second deflector device (41) is arranged at the entrance of the time-of-flight analyzer (400), which deflects the beam by the complementary angle (-α) so that the optical axis (OA3) of the time-of-flight analyzer (400) runs parallel to the optical axis (OA1) of the first segment again and the parallel offset between (OA1) and (OA3) is only a few mm, so that the entire arrangement can be accommodated in a straight support tube and a straight vacuum tube. Abbildungsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deflektorvorrichtung (20) als ein Paar von Ablenkplatten oder magnetischen Polschuhen zur Erzeugung eines Dipolfeldes, oder als Anordnung von vier elektrischen oder magnetischen Elementen zur Überlagerung eines Quadrupolfeldes oder als Anordnung von acht elektrischen oder magnetischen Elementen zur Überlagerung eines Oktupolfeldes und zur Nutzung der Wirkung eines Stigmators zur Eliminierung eines Astigmatismus eingerichtet ist.Imaging device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the deflector device (20) as a pair of deflection plates or magnetic pole pieces for generating a dipole field, or as an arrangement of four electrical or magnetic elements for superimposing a quadrupole field or as an arrangement of eight electrical or magnetic elements for superimposing an octupole field and using the effect of a stigmator to eliminate astigmatism. Abbildungsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die Feldblende (13) und die Selektorblende (33) als feststehende Blenden oder als Wechselblenden auf beweglichen Haltern ausgeführt sind, wobei ihre Größe verändert und ihre die laterale Position senkrecht zur jeweiligen optischen Achse (OA1) oder (OA2) variiert und so die Bildqualität optimiert werden kann.Imaging device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the field diaphragm (13) and the selector diaphragm (33) are designed as fixed diaphragms or as interchangeable diaphragms on movable holders, their size changing and their lateral position perpendicular to the respective optical axis ( OA1) or (OA2) varies and so the image quality can be optimized. Abbildungsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Selektorblende (33) auf einem beweglichen Halter angebracht ist, wobei die Position der Blende entlang der optischen Achse (OA2) variiert und so die Breite der transmittierten Energieverteilung optimiert werden kann.Imaging device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the selector diaphragm (33) is mounted on a movable holder, the position of the diaphragm being varied along the optical axis (OA2) and thus the width of the transmitted energy distribution being able to be optimized. Abbildungsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deflektorvorrichtung (20) als Kombination eines Oktupolablenkers mit acht Elektroden (21) und eines Zylindersektorablenkers mit Außenzylinderelektrode (22) und Innenzylinderelektrode (23) eingerichtet ist, wobei größere Ablenkwinkel im Bereich bis zu α ≈ 20° mit geringen Aberrationen realisierbar sind und damit sehr kleine Energiebreiten des von der Selektorblende (33) durchgelassenen Strahlenbündels erreicht werden.Imaging device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the deflector device (20) is set up as a combination of an octupole deflector with eight electrodes (21) and a cylinder sector deflector with an outer cylinder electrode (22) and an inner cylinder electrode (23), with larger deflection angles in the range up to at α ≈ 20 ° can be implemented with low aberrations and thus very small energy widths of the beam transmitted by the selector diaphragm (33) can be achieved. Abbildungsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass hinter der Selektorblende (33) oder hinter der Austrittsblende (204) des Halbkugelanalysator eine abbildende Spinfiltervorrichtung (600) angebracht ist, wobei die Selektorblende (33) gleichzeitig die Funktion der Eintrittsblende der Spinfiltervorrichtung (600) erfüllt, oder der Halbkugelanalysator nach Art eines Impulsmikroskops ausgebildet ist, wobei die Spinfiltervorrichtung (600) eine Spinfilter-Linsengruppe (61) und einen Spinfilterkristall (62) umfasst, sodass die reduzierte Breite der von der Selektorblende (33) durchgelassenen Energieverteilung eine signifikante Reduktion des Untergrundes bei der spinabhängigen Streuung in der Spinfiltervorrichtung bewirkt.Imaging device according to one or more of the preceding claims, characterized in that an imaging spin filter device (600) is attached behind the selector diaphragm (33) or behind the exit diaphragm (204) of the hemisphere analyzer, the selector diaphragm (33) simultaneously acting as the entrance diaphragm of the spin filter device (600), or the hemisphere analyzer is designed in the manner of a pulse microscope, the spin filter device (600) comprising a spin filter lens group (61) and a spin filter crystal (62), so that the reduced width of the energy distribution transmitted by the selector diaphragm (33) has a causes significant reduction of the background in the spin-dependent scattering in the spin filter device. Abbildungsverfahren zur Reduktion des Untergrundes beim Transfer einer Elektronenverteilung (2) von einer Probe (1) zu einem Energieanalysator mittels einer Abbildungsvorrichtung (100), umfassend ein probenseitiges erstes Segment (10) mit einer ersten Linsengruppe (11), einer Feldblende (13) und einer zweiten Linsengruppe (14), eine Deflektorvorrichtung (20) und ein analysatorseitiges zweites Segment (30) mit einer dritten Linsengruppe (31) und einer Selektorblende (33), dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Achsen des probenseitigen Segments (OA1) und des analysatorseitigen Segments (OA2) um einen Winkel (α) von wenigen Grad gegeneinander verkippt sind und die Elektronen durch die Deflektorvorrichtung (20) im Schnittpunkt der beiden optischen Achsen derart abgelenkt werden, dass die Elektronen zunächst im probenseitigen Segment (10) in ein Gaußbild (12) in Ebene GP1 im Zentrum der Feldblende (13) fokussiert werden und dann in ein Impulsbild (15) in der reziproken Bildebene RP2 im Zentrum der Deflektorvorrichtung (20) fokussiert werden; und im analysatorseitigen Segment (30) durch die dritte Linsengruppe (31) in ein zweites Gaußbild (32) in Ebene GP2 fokussiert werden, sodass aufgrund der Energieabhängigkeit der Strahlablenkung im Deflektor (20) nur Elektronen in einem gewünschten Energiebereich die Selektorblende (33) passieren können, während zu schnelle oder zu langsame Elektronen auf die Selektorblende (33) treffen und nicht in den Energieanalysator eintreten können und so der Untergrund im Energieanalysator signifikant verringert wird.Imaging method for reducing the background when transferring an electron distribution (2) from a sample (1) to an energy analyzer by means of an imaging device (100), comprising a sample-side first segment (10) with a first lens group (11), a field stop (13) and a second lens group (14), a deflector device (20) and an analyzer-side second segment (30) with a third lens group (31) and a selector diaphragm (33), characterized in that the optical axes of the sample-side segment (OA1) and the analyzer-side Segments (OA2) are tilted against each other by an angle (α) of a few degrees and the electrons are deflected by the deflector device (20) at the point of intersection of the two optical axes in such a way that the electrons are initially converted into a Gaussian image (12 ) are focused in plane GP1 in the center of the field diaphragm (13) and then in a pulse image (15) in the reciprocal image plane RP2 i focussed in the center of the deflector device (20); and in the analyzer-side segment (30) through the third lens group (31) are focused into a second Gaussian image (32) in plane GP2, so that due to the energy dependency of the beam deflection in the deflector (20) only electrons in a desired energy range pass the selector diaphragm (33) can, while electrons that are too fast or too slow hit the selector diaphragm (33) and cannot enter the energy analyzer and so the background in the energy analyzer is significantly reduced. Abbildungsverfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Anordnung (100) selektierte Energiebereich bei vorgegebener Linsen- und Deflektorgeometrie mittels der Größen von Feldblende (13) und Selektorblende (33) sowie durch die Wahl der kinetischen Energie der Elektronen in der Deflektorvorrichtung (20) eingestellt und so die Untergrundsreduktion optimiert werden kann.Mapping method according to Claim 11 , characterized in that the energy range selected by the arrangement (100) is set for a given lens and deflector geometry by means of the sizes of the field diaphragm (13) and selector diaphragm (33) and by the choice of the kinetic energy of the electrons in the deflector device (20) and so the subsurface reduction can be optimized. Abbildungsverfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieanalysatorvorrichtung einen Halbkugelanalysator (200) mit Eintrittsblende (201), Innenkugelelektrode (202), Außenkugelelektrode (203) und ortsauflösendem Elektronendetektor (300) umfasst, wobei die Selektorblende (33) gleichzeitig die Funktion der Eintrittsblende (201) des Halbkugelanalysators (200) erfüllt oder zwischen Blenden (33) und (201) eine weitere Elektronenlinse angeordnet ist und durch die Reduzierung der Energiebreite der in den Analysator eintretenden Elektronen die Streuung von zu schnellen oder zu langsamen Elektronen an den Elektroden im Inneren des Analysators signifikant verringert wird.Mapping method according to Claim 11 or 12th , characterized in that the energy analyzer device comprises a hemispherical analyzer (200) with an entrance aperture (201), inner spherical electrode (202), outer spherical electrode (203) and spatially resolving electron detector (300), the selector aperture (33) simultaneously performing the function of the entrance aperture (201) of the Hemispherical analyzer (200) or another electron lens is arranged between diaphragms (33) and (201) and by reducing the energy width of the electrons entering the analyzer, the scattering of too fast or too slow electrons on the electrodes inside the analyzer is significantly reduced becomes. Abbildungsverfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieanalysatorvorrichtung einen Halbkugelanalysator (200) wie in Anspruch 13 jedoch in der Betriebsart eines Impulsmikroskops umfasst, wobei in der Austrittsebene eine Austrittsblende (204) und weiter strahlabwärts eine Austrittslinsengruppe (205) angeordnet ist, die ein Impulsbild (206) auf dem ortsauflösenden Elektronendetektor (300) erzeugt, welches in Folge der Eliminierung von zu hohen und zu niedrigen Energien vor dem Strahleintritt in den Analysator einen signifikant reduzierten Untergrund aufweist.Mapping method according to Claim 11 or 12th , characterized in that the energy analyzer device comprises a hemispherical analyzer (200) as in FIG Claim 13 however, in the operating mode of a pulse microscope, an exit aperture (204) and further downstream an exit lens group (205) are arranged in the exit plane, which generates a pulse image (206) on the spatially resolving electron detector (300), which as a result of the elimination of zu high and low energies before the beam enters the analyzer has a significantly reduced background. Abbildungsverfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieanalysatorvorrichtung einen Flugzeit-Analysator (400) mit Eintrittslinsengruppe (42), niederenergetischer Driftstrecke (43) und einen nachfolgenden orts- und zeitauflösenden Detektor (500) umfasst, wobei die Selektorblende (33) gleichzeitig die Funktion der Eintrittsblende des Flugzeit-Analysators (400) erfüllt und das detektierte Signal einen signifikant reduzierten Untergrund aufweist, der insbesondere von Artefakten zufälliger zeitlicher Koinzidenzen von Untergrundelektronen mit echten Signalelektronen bereinigt ist.Mapping method according to Claim 11 or 12th , characterized in that the energy analyzer device comprises a time-of-flight analyzer (400) with an entrance lens group (42), a low-energy drift path (43) and a subsequent spatially and time-resolving detector (500), the selector diaphragm (33) simultaneously acting as the entrance diaphragm of the Time-of-flight analyzer (400) meets and the detected signal has a significantly reduced background, which is in particular cleared of artifacts of random temporal coincidences of background electrons with real signal electrons. Abbildungsverfahren nach Anspruch 15 dadurch gekennzeichnet, dass am Eintritt des Flugzeit-Analysators (400) eine zweite Deflektorvorrichtung (41) angeordnet ist, welche eine Strahlablenkung um den komplementären Winkel -α bewirkt, sodass die optische Achse (OA3) des Flugzeit-Analysators (400) wieder parallel zur optischen Achse (OA1) des probenseitigen Segments (10) verläuft und der Parallelversatz zwischen (OA1) und (OA3) nur wenige mm beträgt, sodass die Gesamtanordnung in einem geraden Tragrohr und geraden Vakuumrohr untergebracht werden kann.Mapping method according to Claim 15 characterized in that a second deflector device (41) is arranged at the entry of the time-of-flight analyzer (400), which deflects the beam by the complementary angle -α, so that the optical axis (OA3) of the time-of-flight analyzer (400) is again parallel to the optical axis (OA1) of the sample-side segment (10) and the parallel offset between (OA1) and (OA3) is only a few mm, so that the entire arrangement can be accommodated in a straight support tube and a straight vacuum tube. Abbildungsverfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Deflektorvorrichtung (20) als ein Paar von Ablenkplatten oder magnetischen Polschuhen zur Erzeugung eines Dipolfeldes, oder als Anordnung von vier elektrischen oder magnetischen Elementen zur Überlagerung eines Quadrupolfeldes oder als Anordnung von acht elektrischen oder magnetischen Elementen zur Überlagerung eines Oktupolfeldes und zur Nutzung der Wirkung eines Stigmators zur Bildkorrektur eingerichtet ist.Imaging method according to one or more of the Claims 11 to 16 , characterized in that the deflector device (20) as a pair of deflection plates or magnetic pole pieces for generating a dipole field, or as an arrangement of four electrical or magnetic elements for superimposing a quadrupole field or as an arrangement of eight electric or magnetic elements for superimposing an octupole field and is set up to use the effect of a stigmator for image correction. Abbildungsverfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldblende (13) und die Selektorblende (33) als Festblenden oder als Wechselblenden auf beweglichen Haltern ausgeführt sind, sodass ihre Größe verändert und ihre laterale Position senkrecht zur jeweiligen optischen Achse (OA1) oder (OA2) variiert und damit die Bildqualität optimiert werden kann.Imaging method according to one or more of the Claims 11 to 17th , characterized in that the field diaphragm (13) and the selector diaphragm (33) are designed as fixed diaphragms or as interchangeable diaphragms on movable holders, so that their size changes and their lateral position varies perpendicular to the respective optical axis (OA1) or (OA2) and thus the image quality can be optimized. Abbildungsverfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Selektorblende (33) auf einem beweglichen Halter angebracht ist, wobei die Position der Blende entlang der optischen Achse (OA2) variiert und so die Breite der transmittierten Energieverteilung optimiert werden kann.Imaging method according to one or more of the Claims 11 to 18th , characterized in that the selector screen (33) is mounted on a movable holder, the position of the screen varies along the optical axis (OA2) and thus the width of the transmitted energy distribution can be optimized. Abbildungsverfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass hinter der Selektorblende (33) oder hinter der Austrittsblende (204) des Halbkugelanalysators eine abbildende Spinfiltervorrichtung (600) angeordnet ist, wobei die Selektorblende (33) gleichzeitig die Funktion der Eintrittsblende der Spinfiltervorrichtung (600) erfüllt, oder der Halbkugelanalysator nach Art eines Impulsmikroskops ausgebildet ist, wobei die Spinfiltervorrichtung (600) eine Spinfilter-Linsengruppe (61) und einen Spinfilterkristall (62) umfasst, sodass die reduzierte Breite der von der Selektorblende (33) durchgelassenen Energieverteilung eine signifikante Verringerung des Untergrundes bei der spinabhängigen Streuung in der Spinfiltervorrichtung bewirkt.Imaging method according to one or more of the Claims 11 to 19th , characterized in that an imaging spin filter device (600) is arranged behind the selector aperture (33) or behind the exit aperture (204) of the hemisphere analyzer, the selector aperture (33) simultaneously fulfilling the function of the inlet aperture of the spin filter device (600), or the hemisphere analyzer is designed in the manner of a pulse microscope, the spin filter device (600) comprising a spin filter lens group (61) and a spin filter crystal (62), so that the reduced width of the energy distribution transmitted by the selector diaphragm (33) significantly reduces the background in the spin-dependent scattering causes in the spin filter device. Abbildungsverfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Deflektorvorrichtung (20) als Kombination eines Oktupolablenkers mit acht Elektroden (21) und eines Zylindersektorablenkers mit Außenzylinderelektrode (22) und Innenzylinderelektrode (23) eingerichtet ist, sodass größere Ablenkwinkel im Bereich bis zu α ≈ 20° mit geringen Aberrationen realisierbar sind und damit das Energieintervall des von der Selektorblende (33) durchgelassenen Strahlenbündels auf Breiten von 100 meV oder weniger reduziert werden kann, sodass die erfindungsgemäße Vorrichtung bereits die Funktion eines impulsauflösenden Elektronen-Energieanalysators mit begrenzter Auflösung erfüllt, ohne dass ein weiterer Analysator nachgeschaltet ist.Imaging method according to one or more of the Claims 11 to 20th , characterized in that the deflector device (20) is set up as a combination of an octupole deflector with eight electrodes (21) and a cylinder sector deflector with an outer cylinder electrode (22) and an inner cylinder electrode (23), so that larger deflection angles in the range up to α ≈ 20 ° with low aberrations can be implemented and thus the energy interval of the beam of rays passed through by the selector diaphragm (33) can be reduced to widths of 100 meV or less, so that the device according to the invention already fulfills the function of a pulse-resolving electron energy analyzer with limited resolution without a further analyzer being connected downstream .

Images