Universitäre Service-Einrichtung für Transmissionselektronenmikroskopie
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Low Voltage Transmission EELS

Mittlere freie Weglänge für schnelle Elektronen im Silizium

Dieses Forschungsprojekt wird momentan als Eigenforschung geführt. Ein kleiner finanzieller Beitrag wurde von der Hochschuljubiliäumsstiftung der Stadt Wien gestiftet, um eine Probenhalterevakuierungsstation zu bauen, welche helfen soll, Kontaminationen des Halters so gering zu halten, dass sie bei den hochempfindlichen Experimenten keine Rolle spielen.

Das Ziel ist es, mittels EELS die dielektrischen und elektronischen Eigenschaften von ultra-dünnen dielektrischen Schichten zu bestimmen und den Quantumsize Effect experimentell zugänglich zu machen. Dafür sind folgende Schritte notwendig:

  • Adaptierung der Präparationstechniken für ultra-dünne selbsttragende Filme (<2nm ohne Oberflächenbeschädigung)
  • Experimentelle Handhabung der Elektronenmikroskopie bei niedrigen Hochspannungen (20 - 40 kV). Bestimmung der Arbeitsmöglichkeiten und des Auflösungsvermögens im TEM und STEM Modus.
  • Kalibrierung des Energiefilters für niedrige Hochspannungen (20 und 40 kV).
  • Low loss EELS unter Vermeidung relativistischer Energieverluste (Cerenkov-Verluste und Lichtleiter Moden) von ultra-dünnen Schichten und Auswertung unter Verwendung der Maxwell'schen Gleichungen
  • Core loss EELS Messungen zur Untersuchung der Feinstruktur (DOS), welche die elektronische Zustandsdichte wiederspiegelt
  • Computergestützte Nachschärfung der EELS Spektren mittels Maximum-Likelihood und Maximum-Entropie Methoden (Richardson-Lucy Entfaltungen)
  • Berechnung der Zustandsdichten mittels Dichte-Funktional Theorie (Wien2k)
  • Berechnung der Joint Density of States (JDOS) mittels Bethe-Salpeter Gleichungen (EXCiT!NG)

Da das Feldemissionsgerät nicht ausreichend Intensität bei niedrigen Spannungen liefert, wird dieses Projekt ausschließlich am TECNAI G20 durchgeführt. Die niedrigen Hochspannungen sind deswegen notwendig, da die mittlere freie Weglänge für inelastische Elektronenstreuung (mean free path - MFP) mit abnehmender Hochspannung ebenfalls abnimmt. Dadurch ist es möglich, auch sehr dünne Proben mit einem akzeptablem Verhältnis Dicke/MFP zu messen. Das wiederum mindert die Einflüsse der spektralen  Oberflächenanteile relativ zu den Volumenanteilen.

Da dieses Thema bereits weite Wellen geschlagen hat, erscheint 2014 ein Special Issue "Low Voltage Electron Microscopy" in der Fachzeitschrift Ultramicroscopy. Als Gast-Editoren wurden Prof. Ute Kaiser von der Uni Ulm (SLAVE Projekt) und Priv.-Doz. Michael Stöger-Pollach eingeladen.

Für nähere Auskünfte und Ansuchen um Diplomarbeiten wenden Sie sich bitte an Dr. Michael Stöger-Pollach.

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Low Voltage TEM - weltweite Forschungsaktivitäten

Elektronenmikroskope haben eine viel höhere Ortsauflösung, als es mit Lichtmikroskopen möglich wäre. Ausserdem ermöglichen sie Elemental Mapping so wie Elektronen-Energieverlustspektrometrie (EELS). Bis jetzt gibt es aber kaum ein erfolgreiches Beispiel von hochauflösenden chemischen Elementverteilungsbildern von organischen Molekülen. Das liegt daran, dass sie durch den Elektronenstrahl zerstört werden, bevor sie abgebildet werden können (beam damage), da üblicherweise Strahlenergien von 200 keV oder mehr verwendet werden.

Der aktuelle Forschungsschwerpunkt in der Niederenergie-Transmissionselektronenmikroskopie liegt nun darin, die Strahlenergien einerseits zu reduzieren (20 bis 60 kV), andererseits aber das volle Auflösungsvermögen (0.1 nm) der TEMs zu erhalten. USTEM fällt da aus dem Rahmen, wir beschäftigen uns mit den Vor- und Nachteilen der niederen Energien für EELS.

Nion Corp.

Manufacturer of Abberation correctors and dedicated STEM in Kirkland, Washington, USA.
First 60 kV atom resolved EELS image demonstrated 2010 (Er in Fullerene)

  • Nion UltraSTEM 100: 60 kV, 100 kV
  • Nion UltraSTEM 200: 60 kV, 100 kV, 200 kV

NCEM Berkely: TEAM project

National Center for Electron Microscopy and FEI Company: development of a double Cs corrected (S)TEM for 60 kV to 300 kV. Abberation corrected HRTEM image recorded at 30 kV shown at EMC2008, Aachen, Germany

Uni Ulm, Carl Zeiss, CEOS: SALVE project

Develoopment of a Cs and Cc corrected TEM operational at 20kV to 80 kV including Omega-type energy filter for EFTEM, EELS. First 20 kV HRTEM images demonstrated 2010.

Delong

Manufacturer of Low Voltage Tabletop TEM (LV EM5) operational at 5 kV located in Brno, Czech Republic.
Operation modes: TEM, ED, STEM, SEM

Japanes Science and Technology Agency, Tokyo

Development of a double Cs corrected (S)TEM operational from 30 kV to 60 kV.
First 60 kV atom resolved EELS image demonstrated 2009 (Ca, La, Er in Fullerene)
30 kV HRTEM/HRSTEM images demonstrated in 2010.
15 kV HRTEM/HRSTEM images demonstrated in 2013.

USTEM

Fundamental research on EELS, VEELS, EMCD.
First EELS spectrum recorded with 20 keV electrons in May 2008.
First EELS spectrum recorded with 17 keV electrons in July 2010.
First EELS spectrum recorded with 13 keV electrons in March 2012.
First EELS spectrum recorded with 6 keV electrons in October 2012.

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Publikationen

Publikationen in peer-reviewed Journalen:

  1. About the determination of optical properties using fast electrons
    M. Stöger-Pollach
    EMC 2008, Vol.2 (2008) 97

  2. Advantages of Low Beam Energies in a TEM for Valence EELS
    M. Stöger-Pollach, P. Pongratz
    Journal of Physics: Conf. Ser. 209 (2010) 012031 1-4

  3. A new approach in valence EELS: using slow electrons for optical characterization
    M. Stöger-Pollach
    MC 2009, Vol.1 (2009) 113

  4. Low voltage TEM: influences on electron energy loss spectrometry experiments
    M. Stöger-Pollach
    Micron, 41 (2010), 577-584

Eingeladene Vorträge:

  1. The dielectric function obtained with high spatial resolution
    M. Stöger-Pollach and P. Schattschneider
    60th IUVSTA workshop: "Low Energy Spectroscopy and Simulation"
    , Vienna, Austria, 11th-13th Nov. 2009

  2. Low beam energies in EELS and EFTEM
    M. Stöger-Pollach, P. Schattschneider, U. Kaiser, J. Biskupek and G. Benner
    7th
    workshop on EELS/EFTEM, Zürich, Switzerland, 27th-29th Oct. 2010
  3. Low Losses in EELS for the determination of optical properties of nano-scaled objects using electrons with non-relativistic speed
    M. Stöger-Pollach,
    Physikalisches Kolloquium der TU Graz
    , Graz, Austria, 9th November 2011

  4. Transmission elektron microscopy at 20 kV for imaging and spectroscopy: status and future prospects
    U. Kaiser, J. Biskupek, J.C. Meyer, J. Leschner, J. Lechner, Z. Lee, S. Gurasch, U. Goller-Schindler, M. Kinjanyui, H. Rose, M. Stöger-Pollach, A.N. Khlobystov, M. Haider, P. Hartel, H. Müller, S. Eyhusen, G. Benner
    Frühjahrstagung der DPG 2011, Dresden, Deutschland; 13.3.2011 - 18.3.2011

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Literatur

derzeit keine Einträge verfügbar

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Links

SALVE Project, Prof. Ute Kaiser, Uni Ulm