Photoelektronenspektroskopie und Elektronen-Energieverlustspektroskopie mit hocheffizientem Multikanal-Spinpolarimeter

• Applicant: Professor Dr. Gerd Schönhense
• Subject Area: Experimental Condensed Matter Physics
• Term: from 2007 to 2011
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 36391278

• Final Report Year: 2012

Final Report Abstract

Die Polarisation von Elektronenspins spielt nicht nur für die Charakterisierung magnetischer Materialien eine wichtige Rolle. Auch im Zusammenhang mit anderen aktuellen Forschungsfeldern wie den topologischen Isolatoren, der Photoemission im harten Röntgenbereich (vergrabene Schichten / inneren Grenzflächen), der Charakterisierung von elementaren Anregungsprozessen wie Stoner-Anregungen u.a. ist die spektroskopische Untersuchung der Spinpolarisation unverzichtbar geworden. Alle bisher entwickelten Spinpolarimeter arbeiten einkanalig und sind durch eine geringe Messeffizienz von typisch 10^-4 bis 10^-3 gekennzeichnet. Im Kontrast dazu sind moderne Elektronenspektrometer mit parallel erfassenden Intensitätsdetektoren ausgerüstet, welche 10^4 Datenpunkte simultan erfassen können. Multikanal-Intensitätsspektrometer sind state-of-the-art spinauflösenden Spektrometern (Einkanalnachweis) um 7 bis 8 Grössenordnungen überlegen. Im Rahmen des vorliegenden Projekts wurde ein neuer Typ von Spinpolarisationsdetektor entwickelt und erprobt, welcher das Multikanalkonzept auf die Spindetektion überträgt. Dadurch werden 4 Grössenordnungen an Messeffizienz zurückgewonnen. Die zugrundeliegende Idee ist es, die laterale Elektronenverteilung in einem ausgedehnten Elektronenstrahl (wie er z.B. im Austrittsfeld eines Energieanalysators oder im Strahlengang eines parallel abbildenden Mikroskops vorliegt) bei einem spinsensitiven Beugungsprozess zu erhalten. Grundlage ist die Erhaltung der k-parallel Komponente des Elektronenimpulses, inhärent für den Spiegelstrahl ((0,0)-Strahl). Diese Impulserhaltung garantiert, wie bei einem optischen Spiegel, eine Übertragung der zweidimensionalen lateralen Bildinformation. Der Spiegelstrahl ist ferner achromatisch, d.h. es lässt sich ein grosses Energieintervall simultan nutzen (analog der Farbwiedergabe eines optischen Spiegels). Beim ersten Prototypen wurde ein Wolframkristall in (001)-Orientierung genutzt, da dieser sich im UHV relativ leicht durch Heizen reinigen lässt. Der Kristall wurde in der Spiegelgeometrie unter einem Ablenkwinkel von 90º angeordnet und die Elektronenreflektion erfolgte bei einer Energie von 26 eV, ein durch theoretische Berechnungen (R. Feder et al.) validierter vorteilhafter Arbeitspunkt. Analog zur einkanaligen Variante definieren wir als neue zweidimensionale Gütefunktion (Figure of Merit) die Grösse FoM2D = N wobei N die Zahl der simultan auflösbaren Datenpunkte angibt. Der Term in Mittelungszeichen beinhaltet die Spinasymmetrie S (Sherman-Funktion) und das Verhältnis von einfallender und gespiegelter Intensität I/Io (Reflektivität). Im Aufbau mit dem Halbkugelspektrometer erreichten wir einen Wert von FoM2D 1,8 und in der Säule des Impulsmikroskops in Halle sogar einen Wert von ≈ 8. Erste Anwendungen belegten die Vorteile des neuen Detektorkonzepts für Untersuchungen eines sehr reaktiven Materials, des Heuslermaterials Co2MnGa. Hier konnten wir einen sehr hohen Wert der Spinpolarisation an der Fermikante messen. Als weitere Anwendungsfelder erschliessen sich Experimente mit niedrigen Zählraten, single-shot Experimente z.B. an Röntgenlaserquellen (das Display-Konzept erlaubt den Nachweis von vielen Elektronen im Puls) oder Experimente, bei denen höchste Energie- und Winkelauflösung benötigt wird. Die Entwicklung des Spinfilters wurde in enger Kooperation mit dem MPI für Mikrostrukturphysik, Halle (J. Kirschner, C. Tusche) durchgeführt. Insgesamt gesehen hat das Projekt nach einer schwierigen Anlaufphase (Umweg des nicht-energiegefilterten Ansatzes im PEEM) und der damit verbundenen Verlängerung der Projektlaufzeit einen sehr erfolgreichen Verlauf genommen.

Publications

• Hocheffizienter 2D Display-Spinfilter für die Elektronenspektroskopie und Abbildung magnetischer Oberflächen AOFA 17 / Angewandte Oberflächenanalytik, Iserlohn, Sept. 2012
  G. Schönhense
  
• Imaging Spin Filter for Electrons International Workshop: Recent Trends in Charged Particle Optics and Surface Physics Instrumentation, Brno, Tschechien, Jun. 2012
  G. Schönhense
  
• Time-Of-Flight- and Spin-Filtering in Low-Energy Electron Microscopy International Workshop: Recent Trends in Charged Particle Optics and Surface. Physics Instrumentation, Brno, Tschechien, 2008
  P. Lushchyk, M. Hahn, G. Schönhense, A. Oelsner, D. Panzer, A. Krasyuk, J. Kirschner
  
• Time-Of-Flight- and Spin-Filtering in Low-Energy Electron Microscopy. LEEM-PEEM-6, Trieste, 2008
  P. Lushchyk, M. Hahn, G. Schönhense, A. Oelsner, D. Panzer, A. Krasyuk, J. Kirschner
  
• Vielkanal-Spindetektion von niederenergetischen Elektronen DPG Frühjahrstagung Dresden, 2009
  M. Hahn, P. Lushchyk, G. Schönhense, A. Oelsner, D. Panzer, A. Krasyuk, J. Kirschner
  
• High-Efficiency Multichannel-Spindetector DPG Frühjahrstagung Dresden, 2011
  M. Hahn, B. Petereit, H.-J. Elmers, G. Schönhense
  
• Highly Efficient Multichannel Spin-Polarization Detection. Phys. Rev. Lett. 107 (2011) 207601
  M. Kolbe, P. Lushchyk, B. Petereit, H.J. Elmers, G. Schönhense, A. Oelsner, C. Tusche, J. Kirschner
  
• Significant spin polarization of Co2MnGa Heusler thin films on MgO (100) measured by ultraviolet photoemission spectroscopy. Appl. Phys. Lett. 98 (2011) 232503-3
  M. Hahn, G. Schönhense, E. Arbelo Jorge, M. Jourdan
  
• Spin resolved photoelectron microscopy using a two-dimensional spinpolarizing electron mirror. Appl. Phys. Lett. 99 (2011) 032505
  C. Tusche, M. Ellguth, A. A. Ünal, C. T. Chiang, A. Winkelmann, A. Krasyuk, M. Hahn, G. Schönhense and J. Kirschner
  
• Spinresolved UPS: Study of the O p(1x1) Phase on Fe(100) Using a Novel Multichannel Spinpolarimeter. DPG Frühjahrstagung Dresden, 2011
  M. Hahn, B. Petereit, M. Jourdan, H.-J. Elmers, G. Schönhense
  
• 2D Reflection-Type Electron Spin Filter Increasing Detection Efficiency in Spin- Resolved Spectroscopy by Orders of Magnitude. ECOSS-29 Edinburgh, Sept. 2012
  G. Schönhense, D. Kutnyakhov, M. Kolbe, P. Lushchyk, K. Medjanik, H.J. Elmers, C. Tusche, J. Kirschner, F. Giebels, H. Gollisch, R. Feder
  
• Extending the two-dimensional electron spin-filter to a larger range of scattering energies and angles DPG Frühjahrstagung Berlin, März 2012
  D. Kutnyakhov, K. Medjanik, S.A. Nepijko, H.J. Elmers, G. Schönhense, C. Tusche, J. Kirschner, F. Giebels, H. Gollisch, R. Feder
  
• Extending the two-dimensional electron spin-filter to a larger range of scattering energies and angles. International Conference on Magnetism, Korea, Jul. 2012
  Kutnyakhov, K. Medjanik, S.A. Nepijko, H.J. Elmers, G. Schönhense, C. Tusche, J. Kirschner, F. Giebels, H. Gollisch, R. Feder
  
• Imaging Spin Filter for Electrons. LEEM-PEEM 8, Hong Kong, Nov. 2012
  D. Kutnyakhov, P. Lushchyk, M. Kolbe, K. Medjanik, S.A. Nepijko, H.J. Elmers, C. Tusche, A. Krasyuk, J. Kirschner, F. Giebels, H. Gollisch, R. Feder, G. Schönhense
  
• Significant Spin Polarization of Co2MnGa measured by multichannel spinresolved UPS. DPG Frühjahrstagung Berlin, März 2012
  M. Kolbe, S. Chadov, E. Arbelo Jorge, G. Schönhense, C. Felser, H.-J. Elmers, M. Kläui, M. Jourdan
  
• Test of band structure calculations for Heusler compounds by spin resolved photoemission spectroscopy. Phys. Rev. B (2012)
  M. Kolbe, S. Chadov, E. Arbelo Jorge, G. Schönhense, C. Felser, H.-J. Elmers, M. Kläui, M. Jourdan
  (See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevB.86.024422)
• The Spin Polarizing Electron Mirror: Efficient Spin Resolved Photoelectron Microscopy and Bandstructure Mapping. LEEM-PEEM 8, Hong Kong, Nov. 2012
  C. Tusche, M. Ellguth, A. Winkelmann, A. Krasyuk, D. Kutnyakhov, P. Lushchyk, K. Medjanik, G. Schönhense, J. Kirschner,
  
• Twin-Photoemission Electron Microscopy System (Twin-PEEM) DPG Frühjahrstagung Berlin, März 2012
  A. Krasyuk, C. Tusche, G. Schönhense, J. Kirschner
  
• Verification of band structure calculations for the Heusler compound Co2MnGa International Conference on Magnetism, Korea, Jul. 2012
  M. Kolbe, S. Chadov, E. Arbelo Jorge, C. Felser, H.-J. Elmers, G. Schönhense, M. Kläui, M. Jourdan