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Elektronenspektrometer mit Megahertzpulsen Neue Technik senkt Messzeit von Stunden auf Sekunden

| Redakteur: Christian Lüttmann

Der Trend zur Miniaturisierung hat zum Teil erstaunliche Folgen. So sind elektronische Schaltkreise heute so klein, dass sich quantenmechanische Effekte bemerkbar machen. Solche Effekte lassen sich mit Photoelektronenspektrometern untersuchen. Mit einem neu entwickelten Spektrometer haben Max-Planck- und Fraunhofer-Forscher nun ein enorm verbessertes Gerät entwickelt – das die Messzeit um den Faktor 1800 reduziert.

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Edelgas-befüllte Druckkammer mit lichtführender Hohlkernfaser. Das Gas und das Licht interagieren miteinander. Die Folge: Das optische Spektrum verbreitert sich, die Pulse werden kürzer (30 fs)
Edelgas-befüllte Druckkammer mit lichtführender Hohlkernfaser. Das Gas und das Licht interagieren miteinander. Die Folge: Das optische Spektrum verbreitert sich, die Pulse werden kürzer (30 fs)
(Bild: Fraunhofer IOF, Walter Oppel)

Aachen/Jena – Unser Blick ist auf das Makroskopische beschränkt: Schauen wir auf einen Gegenstand, so sehen wir lediglich seine Oberfläche. Auf der Nanoskala jedoch würde sich ein gänzlich anderes Bild ergeben, eine Welt aus Atomen, Elektronen und Elektronenbändern, in der die Quantenmechanik regiert. Festkörperphysiker und Materialentwickler haben ein großes Interesse daran, diese kleinsten Bausteine von Materialien näher zu untersuchen. Etwa bei elektronischen Schaltkreisen, die mitunter so miniaturisiert sind, dass sich bereits quantenmechanische Effekte bemerkbar machen.

Wie funktioniert Photoelektronenspektroskopie?

Die Photoelektronenspektroskopie ermöglicht einen solchen Blick auf die Atome, ihre energetischen Zustände und ihre Elektronen. Das Prinzip: Man schießt mit einem Laser hochenergetische Photonen, also Lichtteilchen, auf die Oberfläche des zu untersuchenden Festkörpers, beispielsweise einen elektrischen Schaltkreis. Das hochenergetische Licht schlägt Elektronen aus dem Atomverbund heraus. Je nachdem, wie tief sich die Elektronen im Atom befinden – genauer gesagt in welchem energetischen Band – gelangen sie schneller oder langsamer zum Detektor.

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Elektronensprints im Laserrhythmus

Über die Laufzeit, die die Elektronen bis zum Detektor brauchen, können Materialentwickler Rückschlüsse auf die energetischen Zustände der Elektronenbänder und die Struktur des Atomverbunds im Festkörper ziehen. Wie bei einem Sprint gilt: Die Elektronen müssen alle gleichzeitig starten, ansonsten kann man das Rennen nicht analysieren. Einen solchen gemeinsamen Start erreicht man durch eine gepulste Laserstrahlung. Vereinfacht gesagt: Man schießt mit dem Laser auf die Oberfläche, schaut sich an, was dabei herausgelöst wurde – und schießt dann erneut. Üblicherweise arbeiten die Laser im Kilohertz-Bereich, sie geben also einige Tausend Laserlichtpulse pro Sekunde ab.

Das Problem: Setzt man mit einem Puls zu viele Elektronen gleichzeitig frei, stoßen sich diese gegenseitig ab – sie lassen sich dann nicht mehr vermessen. Also regelt man die Leistung des Lasers herunter. Um dennoch genügend Elektronen zu vermessen und eine verlässliche Aussage treffen zu können, muss man entsprechend lange Messzeiten einplanen. Das ist mitunter kaum praktikabel: Proben und Strahlquellenparameter lassen sich über einen solchen langen Zeitraum nicht ausreichend stabil halten.

Messungen von fünf Stunden auf zehn Sekunden verkürzen

Forscher der Fraunhofer-Institute für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF und für Lasertechnik ILT haben gemeinsam mit ihren Kollegen des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik erstmals ein Photoelektronenspektrometer entwickelt, das nicht im Kilohertz-Bereich arbeitet, sondern bei 18 Megahertz. Das heißt: Es treffen mehrere Tausend Mal mehr Pulse auf die Oberfläche als in herkömmlichen Spektrometern. Das wirkt sich drastisch auf die Zeit aus, die für eine solche Messung benötigt wird. „Messungen, die vorher fünf Stunden gedauert haben, führen wir nun in zehn Sekunden durch“, sagt Dr. Oliver de Vries, Wissenschaftler am Fraunhofer IOF.

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