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Aufbau und Erprobung eines Spiegelkorrektors für Niederspannungs-Elektronenmikroskope

Hartel, Peter :
Aufbau und Erprobung eines Spiegelkorrektors für Niederspannungs-Elektronenmikroskope.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2001)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Aufbau und Erprobung eines Spiegelkorrektors für Niederspannungs-Elektronenmikroskope
Language: German
Abstract:

An moderne Elektronenmikroskope werden immer größere Anforderungen gestellt, um die Ortsauflösung und die lokale chemische und elektronische Information zu erhöhen. Letztere gewährleistet ein abbildendes Energiefilter bei ausreichend monochromatischer Beleuchtung. Die Ortsauflösung konventioneller Elektronenmikroskope wird prinzipiell durch den Farb- und den Öffnungsfehler der Objektivlinse begrenzt. Beide Fehler sind gemäß des Scherzer-Theorems bei Rundlinsensystemen unvermeidbar. Während für Durchstrahlungs-Elektronenmikroskope und Rasterelektronenmikroskope bereits funktionierende Korrektoren zur Verfügung stehen, existiert kein Korrektor für die Direktabbildung im Niederspannungsbereich. Diese Lücke kann mit einem Elektronenspiegel in Verbindung mit einem fehlerarmen Strahlteiler geschlossen werden. Der Spiegelkorrektor soll im Spektromikroskop SMART eingesetzt werden. Die Korrektur kann zum einen zur Steigerung der Ortsauflösung von 5 nm auf unter 1 nm genutzt werden, zum anderen kann der Blendenöffnungswinkel bei einer Ortsauflösung, die unkorrigierten Geräten vergleichbar ist, zur Verbesserung der Intensitätsausbeute um den Faktor 4 bis 10 erhöht werden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden der Strahlteiler und der Elektronenspiegel konstruiert, aufgebaut und in einem konventionellen Rasterelektronenmikroskop erprobt. Der ideale Strahlteiler bildet aufgrund seiner internen Symmetrie bei einer 90°-Ablenkung seine Eintrittsebene 1:1 in seine Austrittsebene ab, wobei weder geometrische Fehler zweiter Ordnung noch Dispersion ersten oder zweiten Grades eingeführt werden. Durch Symmetrieverletzung können Restfehler auftreten. Die Charakterisierung der vier Quadranten des Strahlteilers gelingt durch Messung von Kantenauflösungen bei großer Blende zur Abschätzung der geometrischen Fehler und durch Bestimmung der Dispersion bei Energieabweichungen von über 25 % von der Nominalenergie. Aufgrund der durchgeführten Messungen ist ein erfolgreicher Betrieb des Strahlteilers im SMART zu erwarten. Der Elektronenspiegel besteht aus vier Elektroden. Mit den drei zur Säulenspannung frei wählbaren Spannungen können Farb- und Öffnungsfehler des Spiegels bei fester Brennweite in einem weiten Bereich eingestellt werden. Die simultane Korrektur von Farb- und Öffnungsfehler konnte am Testmikroskop zweifelsfrei durch Messung der Fehlerkoeffizienten des Gesamtsystems nachgewiesen werden. Durch geeignete Wahl der Potentiale an den Spiegelelektroden wurde das System von einem unterkompensierten Zustand über den korrigierten in einen überkompensierten Zustand überführt. Als charakteristisches Merkmal der erfolgreichen Korrektur weist die Aufnahme von Goldclustern im korrigierten Zustand den höchsten Kontrast auf. Ein höherer Prozentsatz der einfallenden Elektronen wird in den zentralen Bereich des Rasterflecks fokussiert. Die im Rahmen dieser Arbeit gewonnenen Ergebnisse zeigen, daß die Farb- und Öffnungsfehlerkorrektur eines Niederspannungs-Elektronenmikroskops mit einem Elektronenspiegel verwirklicht werden kann. Der nächste Schritt vor dem Einsatz des Spiegelkorrektors im SMART ist der Nachweis der Auflösungsverbesserung am Testmikroskop.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The visualization of structures on an atomic scale combined with local spectroscopy is one of the most challenging tasks of present electron microscopy. Sub-eV energy resolution necessitates the incorporation of a high-performance imaging energy filter and a monochromator in the microscope. The spatial resolution of conventional electron microscopes is limited by the unavoidable chromatic and spherical aberration of round lenses. For medium-voltage transmission electron microscopes and scanning electron microscopes the spatial resolution has been improved by means of multipole correctors. However, an appropriate corrector for low-energy electron microscopes had not been realized. This gap has been closed by a four-electrode electron mirror in combination with a beam separator which is free of all primary aberrations apart from the axial chromatic aberration. The mirror corrector is an essential part of the spectromicroscope SMART. The corrector can either be used to improve the spatial resolution from 5 nm beyond 1 nm or to increase the limiting aperture angle by a factor of 4 to 10 at a resolution comparable to uncorrected microscopes. This work includes the construction and test of the electron mirror and the beam separator in a conventional scanning electron microscope. The entrance plane of the beam separator is imaged free of dispersion with unit magnification in the exit plane. Thereby the electrons are deflected by 90°. Due to the internal symmetry of the beam separator no geometrical aberrations of second order are introduced. The residual geometric aberrations are estimated by the edge resolution obtained with a large aperture while the coefficients of dispersion are determined by energy deviations up to 25 % of the path energy. The results promise a successful operation of the beam separator in the SMART. The coefficients of chromatic and spherical aberration of the tetrode mirror can be made negative and varied in a wide range, while its focal length remains fixed. By choosing the voltages at the mirror electrodes properly, the coefficients of chromatic and spherical aberration of the test microscope can be changed from positive to negative values. As a characteristic indicator of the successful correction the images with compensated aberrations reveal the highest contrast. The experimental results demonstrate that the simultaneous correction of chromatic and spherical aberration of a low-energy electron microscope by means of a mirror corrector is feasible. For the successful application of the corrector in the SMART it is desirable to prove the enhancement of the spatial resolution at the test microscope first.English
Uncontrolled Keywords: Elektronenspiegel, Farbfehler, Öffnungsfehler
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Elektronenspiegel, Farbfehler, ÖffnungsfehlerGerman
electron microscope, electron optics, mirror corrector, electron mirror, beam splitter, spherical and chromatic aberration, electron spectroscopy, surface scienceEnglish
Divisions: Fachbereich Physik
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:20
Last Modified: 07 Dec 2012 11:46
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000105
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-1050
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Rose, Prof. Dr. Harald and Richter, Prof. Dr. Achim
Advisors: Rose, Prof. Dr. Harald
Refereed: 12 February 2001
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/105
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