Bau eines 0 eV-Elektronendetektors und Test an Gas- und Festkörperproben

Diplomarbeit von Jan They

Einleitung:

Die Photoelektonenspektroskopie hat eine zentrale Bedeutung für die Untersuchung von gasförmigen, flüssigen und festen Stoffen. Die 0 eV - Spektroskopie bietet seit langem eine bewährte Methode zur präzisen Bestimmung der Lage der besetzten Energieniveaus der Elektronen.

Das Meßprinzip: Mit Hilfe einer Strahlungsquelle, in unserem Fall Synchrotronstrahlung wird die Probe beleuchtet. Mit Hilfe eines Monochromators wird dazu aus dem Licht der Quelle eine bestimmte Wellenlänge selektiert. Mit Hilfe des speziellen 0 eV-Detektors werden alle Elektronen nachgewiesen, die bei ihrer Entstehung keine kinetische Energie besitzen. Variiert man nun die Wellenlänge, so erhält man überall dort Intensität, wo die Photonenenergie der Bindungsenergie der Elektronen entspricht.

Gang der Untersuchung:

Die Diplomarbeit „Bau eines 0 eV-Elektronendetektors und Test an Gas und Festkörperproben“ beschreibt nun den Bau des ersten Elektronendetektors für Festkörperproben überhaupt. Die Bauform und die Detektorgeometrie des speziell erforderlichen Elektronendetektors, der Elektronen niedriger kinetischer Energie nachweist, wird ausführlich beschrieben. Die Beziehungen zwischen Auflösung, Abmessungen und anderen Parametern wird ausführlich hergeleitet. Auch die erfolgreichen Maßnahmen zur Überwindung von Aufladungseffekten an isolierenden Festkörperproben werden dargestellt.

Die Richtigkeit der theoretischen Überlegungen wird an Hand von Messungen an Gasproben (Argon und Stickstoff), und festen Proben ( Edelgaskristalle mit Dotierungsatomen) untersucht. Mit einer Auflösung von fünf Millielektronenvolt ist der Detektor besonders geeignet für die Bestimmung der Lage von Elektronenenergieniveaus der Dotierungsatome.

Die Arbeit ist ein absolutes Muß für jeden, der den zweiten, dritten vierten ..... 0 eV-Elektronendetektor bauen will.

Inhaltsverzeichnis:

1.	Einleitung	5
2.	Das Experiment	7
2.1	Der Aufbau des HIGITI-Messplatzes	8
2.2	Der Aufbau des 0 eV-Detektors	10
2.2.1	Mechanischer Aufbau	11
2.2.2	Das Nachweissystem	12
2.2.3	Die Probenhalter für Gas und Festkörper	13
2.2.4	Die Gasstrahlmessung	13
2.2.5	Der Festkörperprobenhalter	13
2.3	Präparation von Festkörperproben	14
2.4	Meßmethode	16
2.4.1	Die Signalverarbeitung	16
3.	Physikalische Grundlagen	19
3.1	Theorie unseres 0 eV-Detektors	19
3.1.1	Berechnung der Akzeptanzgrenzen für die vektorielle Geschwindigkeit	20
3.1.2	Empfindlichkeitsfunktion für Elektronen in Abhängigkeit von deren Geschwindigkeitsbetrag	21
3.1.3	Zusammenfassung, Formeln und Annahmen	25
3.1.4	Konstruktive Maßnahmen zur Erzeugung eines homogenen Feldes	27
3.2	Allgemeine Eigenschaften von 0 eV - Detektoren und deren Auflösung	28
3.3	Eigenschaften der Probe	29
4.	Physik der Proben	31
4.1	Photoionisation	31
4.2	Photoionisation an Atomen und Molekülen	31
4.2.1	Autoionisation	32
4.3	Photoionisation an festen Edelgaskristallen	33
4.3.1	Allgemeines	33
4.3.2	Bandstruktur der Edelgaskristalle	33
4.3.3	Dreistufenbild der Photoionisation	35
4.3.4	Direkte Ionisation	36
4.3.5	Indirekte Ionisation	38
4.4	Ergänzende Messungen zu 0 eV-Spektren	38
5.	Messergebnisse und Diskussion	41
5.1	Die Gasstrahlmessung	41
5.1.1	Die Argonmessung	41
5.1.2	Bestimmung der Auflösung	42
5.1.3	Messgenauigkeit und die Störung durch Autoionisation	45
5.1.4	Trennung von Autoionisationsschwellen und autoionisieren den Übergängen	47
5.1.5	Was Justierungsfehler des 0 eV-Detektors zur Folge haben	48
5.1.6	Justierung des 0 eV-Detektors für die Gasstrahlmessung	50
5.2	Die Stickstoffmessung	52
5.3	Die Festkörpermessungen	55
5.3.1	Edelgasdotierte Neonfestkörper	55
5.3.2	Messungen an festem Xenon	60
5.3.3	Ionisation aus Valenzbändern von festem Xenon	62
6.	Zusammenfassung und Ausblicke	65
A.	Fehlerbetrachtung zu 3.1.1	67
B.	Berechnung der Halbwertsbreite der Zählratenfunktion	69