Ballistische Elektronenemissionsmikroskopie

Skizze der ballistischen Elektronenemissionsmikroskopie

Die ballistische Elektronenemissionsmikroskopie (kurz BEEM) ist eine Abwandlung der Rastertunnelmikroskopie, sie wurde 1988 durch L. Douglas Bell and William J. Kaiser entwickelt.^[1][2] Mit Hilfe von BEEM lässt sich die Schottky-Barriere an der Grenzfläche eines Metalls zu einem Halbleiter mit einer Nanometer-hohen lateralen Auflösung untersuchen.

Messprinzip

Man benutzt als Probe eine Schottky-Diode, die aus einem Metallfilm auf einem Halbleitersubstrat besteht. Zwischen dem Metall und dem Halbleiter bildet sich eine Schottky-Barriere ${\displaystyle \varphi _{\text{SB}}}$ aus, die Elektronen mit einer Energie ${\displaystyle \varphi _{\text{SB}}\leqq E}$ nicht überwinden können. Man injiziert über eine Tunnelspitze Elektronen in die Metallseite der Schottky-Diode. Die anliegende Tunnelspannung ${\displaystyle U}$ definiert dabei die Elektronenenergie ${\displaystyle E}$. Im Metallfilm können die Elektronen gestreut werden, wobei sie dabei mindestens 50 % ihrer Energie verlieren.^[3] Wählt man nun die Elektronenergie der Art, dass ${\displaystyle \varphi _{\text{SB}}<E<2\varphi _{\text{SB}}}$ ist, wirkt die Schottkybarriere als Energiefilter für die gestreuten Elektronen. Nur Elektronen ohne Richtungs- und Energieänderung schaffen es über die Schottkybarriere. Man nennt diese Elektronen daher auch ballistisch, weil sie sich wie Gewehrkugeln durch den Metallfilm ausbreiten. Für das Verhältnis des Strom der BEEM-Elektronen ${\displaystyle I_{\text{BEEM}}}$ zum Gesamttunnelstrom ${\displaystyle I_{t}}$ gilt im Rahmen eines Konstant-Strom-Experiments^[4]

${\displaystyle {\frac {I_{\text{BEEM}}}{I_{\text{t}}}}=w{\frac {(U-\varphi _{\text{SB}})^{2}}{U}}.}$

${\displaystyle w}$ beschreibt dabei den Durchsatz an ballistischen Elektronen, die überhaupt die Schottkybarriere erreichen. Wenn man an einem Ort der Probe mit der Tunnelspitze die Tunnelspannung durchfährt, erhält man ein sogenanntes ballistisches Elektronemissionsspektrum (BEES).

Anwendung

Mit BEES lässt sich die Schottky-Barriere sehr genau vermessen (ca. 0,02 eV genau). Des Weiteren kann man die Eigenschaften und laterale Variation des Elektronenstroms durch die Grenzfläche zwischen Metall und Halbleiter mittels BEEM untersuchen. Aus dem BEEM-Durchsatz ${\displaystyle w}$ für verschiedene Metallfilmdicken lässt sich die mittlere freie Weglänge im Metall bestimmen. Außerdem lassen sich die ballistischen Eigenschaften von Adsorbaten auf der Schottky-Barriere untersuchen.

Siehe auch

• Oberflächenchemie

Literatur

• L D Bell, W J Kaiser: Ballistic-Electron-Emission Microscopy: A Nanometer-Scale Probe of Interfaces and Carrier Transport. In: Annual Review of Materials Science. Band 26, Nr. 1, 1996, S. 189–222, doi:10.1146/annurev.ms.26.080196.001201. 

Einzelnachweise

1. ↑ L. D. Bell, W. J. Kaiser: Observation of Interface Band Structure by Ballistic-Electron-Emission Microscopy. In: Physical Review Letters. Band 61, Nr. 20, 14. November 1988, S. 2368–2371, doi:10.1103/PhysRevLett.61.2368. 
2. ↑ W. J. Kaiser, L. D. Bell: Direct investigation of subsurface interface electronic structure by ballistic-electron-emission microscopy. In: Physical Review Letters. Band 60, Nr. 14, 4. April 1988, S. 1406–1409, doi:10.1103/PhysRevLett.60.1406. 
3. ↑ R.H. Ritchie, J.C. Ashley: The interaction of hot electrons with a free electron gas. In: J. Phys. Chem. Sol. Band 26, Nr. 12, 1965, S. 1689–1694, doi:10.1016/0022-3697(65)90198-8. 
4. ↑ C. A. Bobisch: Mikroskopie mit ballistischen Elektronen. VDM Verlag Dr. Müller, Saarbrücken 2008, ISBN 978-3-639-05791-1, S. 34.