Vielkanal-Spinpolarimeter für energie- und winkeldispersive Photoemissionsmessungen

Spinpolarisationsmessungen an freien Elektronen sind seit ihrer ersten Verwirklichung durch Mott anspruchsvoll geblieben. Die relevante Größe eines Spinpolarimeters ist seine Gütefunktion, FoM = S^2*I/I_0, mit der Asymmetriefunktion S und dem Verhältnis aus Streu- und Primärintensität I/I_0. Alle bisherigen Geräte basieren auf einer einkanaligen Streuung (Spin-Bahn- oder Austauschwechselwirkung), die durch FoM = 10^(-4) charakterisiert ist. Moderne Halbkugelanalysatoren ermöglichen hingegen eine effiziente Vielkanaldetektion der spinintegralen Intensität mit mehr als 10^4 simultan erfassten Datenpunkten. Im Vergleich zwischen spinaufgelöster und spinintegraler Elektronenspektroskopie findet man somit einen Effizienzunterschied von 8 Größenordnungen.rnDie vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Untersuchung eines neuartigen Verfahrens zur Effizienzsteigerung in der spinaufgelösten Elektronenspektroskopie unter Ausnutzung von Vielkanaldetektion. Der Spindetektor wurde in eine µ-metallgeschirmte UHV-Kammer integriert und hinter einem konventionellen Halbkugelanalysator angebracht. Durch elektronenoptische Simulationen wurde die Geometrie des elektrostatischen Linsensystems festgelegt. Das Grundkonzept basiert auf der k(senkrecht)-erhaltenden elastischen Streuung des (0,0)-Spekularstrahls an einem W(100)- Streukristall unter einem Einfallswinkel von 45°. Es konnte gezeigt werden, dass etwarn960 Datenpunkte (15 Energie- und 64 Winkelpunkte) in einem Energiebereich vonrnetwa 3 eV simultan auf einen Delayline-Detektor abgebildet werden können. Dies führt zu einer zweidimensionalen Gütefunktion von FoM_2D = 1,7. Verglichen mit konventionellen Spindetektoren ist der neuartige Ansatz somit durch einen Effizienzgewinn von 4 Größenordnungen gekennzeichnet.rnDurch Messungen einer Fe/MgO(100) und O p(1x1)/Fe(100)-Probe konnte die Funktionstüchtigkeit des neuen Spinpolarimeters nachgewiesen werden, indem die aus der Literatur bekannten typischen UPS-Ergebnisse mit stark verkürzter Messzeit reproduziert wurden. Durch die hohe Effizienz ist es möglich, besonders reaktive Oberflächen in kurzer Zeit zu vermessen. Dieser Vorteil wurde bereits für eine erste grundlagenorientierte Anwendung genutzt: Als Test für die Gültigkeit von Bandstrukturrechnungen für die Heusler-Verbindung Co_2MnGa, wobei eine gute Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment gefunden wurde.rnMit dem Vielkanal-Spinfilter wurde die Grundlage zu einem um Größenordnungen verbesserten Messverfahren der Elektronenspin-Polarisation geschaffen und damit der Zugang zu Experimenten eröffnet, die mit den bisherigen einkanaligen Detektoren nicht möglich sind.rn

Spin polarization measurements of free electrons remain challenging since their first realization by Mott. The relevant quantity of a spin polarimeter is its figure of merit, FoM = S^2*I/I_0, with the asymmetry function S and the ratio between scattered and primary intensity I/I_0. State-of-the-art devices are based on single-channel scattering (spin-orbit or exchange interaction) which is characterized by FoM ≃ 10^(−4). On the other hand, modern hemispherical analyzers feature an efficient multichannel detection of spin-integral intensity with more than 104 data points simultaneously. In comparisonrnbetween spin-resolved and spin-integral electron spectroscopy we are thus faced with a difference in counting efficiency by 8 orders of magnitude.rnThe present work concentrates on the development and investigation of a novel technique for increasing the efficiency in spin-resolved electron spectroscopy by multichannel detection. The spin detector was integrated in a μ-metal shielded UHV-chamber and mounted behind a conventional hemispherical analyzer. The electrostatic lens system’s geometry was determined by electronoptical simulations. The basic concept is the k(perpendicular)-conserving elastic scattering of the (0,0)-beam on a W(100) scattering crystal under 45° impact angle. It could be demonstrated that app. 960 data points (15 energy and 64rnangular points) could be displayed simulaneously on a delayline detector in an energy interval of ≃ 3 eV. This leads to a two-dimensional figure of merit of FoM_2D = 1.7. Compared to conventional spin detectors, the new type is thus characterized by a gain in efficiency of 4 orders of magnitude.rnThe operational reliability of the new spin polarimeter could be proven by measurements with a Fe/MgO(100) and O p(1x1)/Fe(100)-sample, where results from the literature were reproduced with strongly decreased measuring time. Due to the high intensity it becomes possible, to investigate strongly reactive samples in a short time. This advantage was already implemented for an application in the viewpoint of fundamental research: as test for the validity of bandstructure calculations for the Heusler compound Co_2MnGa, where a good agreement between experiment and theory could be demonstrated.rnWith the multichannel spin filter, a basis to a measurement procedure for electron spin polarization enhanced by orders of magnitude was established. This paves the way to experiments that are not possible with state-of-the-art single channel detectors.rn