University, Diss., 2001--Heidelberg. / Parallelt.: Differentielle Energieanalyse von Elektronenstrahlen.

Universiẗat, Diss., 2003--Kaiserslautern.

Darmstadt, Techn. University, Diss., 2006.

Electron emission from ferroelectrics (FEE) is a promising source for electrons. Although extensive studies have shown that the emission is inititated by a variation of the spontaneous polarization, the exact underlying emission process remained unclear to date. The focus of this work is to analyze and improve the electron emission process from ferroelectric materials. To achieve low operation voltages thin films and low coercive voltage ferroelectric relaxor single crystals were used. The emission was measured under ultrahigh vacuum (UHV) conditions with a single electron detector. The ferroelectric thin films were prepared with a structured top electrode, with nanometer-sized regularly arranged apertures. The emission from lead zirconate titanate (PZT) thin films was achieved at excitation voltages as low as 10 V. The voltage dependent polarization state within the emission apertures of PZT was imaged using piezoresponse force microscopy (PFM). The PFM measurements revealed that an increased fraction of the free surface area is switched by an increased applied voltage. Additional, as a thin film electron emitter, bismuth ferrite (BFO) films were investigated. Ferroelectric relaxor lead magnesium niobate - lead titanate (PMN-PT) was used as single crystal electron emitter due to its low coercive field. The time-dependent electron emission process from PMN-PT was clarified with the help of exciting voltage pulses of variable duration. It is demonstrated that FEE from PMN-PT can be described in the framework of a random field model for relaxors, with the measured electron flux correlating with the amount of reversed polarization. The time-resolved analysis gives insight into the polarization switching and screening processes within PMN-PT. The local electron emission from PMN-PT single crystals has been investigated, in the nanometer regime, with the help of an AFM tip serving as an electron detector. Additionally, the influence of the aperture size in the top electrode on the emission has been investigated. It is found that the electron emission is strongly influenced by the electric field distribution in the aperture. An optimum aperture width for electron emission from PMN-PT, which is much smaller than the apertures used so far, was found. Comparative investigations of the electron emission process from relaxors with barium titanate showed that the emission from PMN-PT is much more complex than the emission from a conventional ferroelectric. General conclusions on the future applications of FEE can be drawn.

Electron emission from ferroelectrics (FEE) is a promising source for electrons. Although extensive studies have shown that the emission is inititated by a variation of the spontaneous polarization, the exact underlying emission process remained unclear to date. The focus of this work is to analyze and improve the electron emission process from ferroelectric materials. To achieve low operation voltages thin films and low coercive voltage ferroelectric relaxor single crystals were used. The emission was measured under ultrahigh vacuum (UHV) conditions with a single electron detector. The ferroelectric thin films were prepared with a structured top electrode, with nanometer-sized regularly arranged apertures. The emission from lead zirconate titanate (PZT) thin films was achieved at excitation voltages as low as 10 V. The voltage dependent polarization state within the emission apertures of PZT was imaged using piezoresponse force microscopy (PFM). The PFM measurements revealed that an increased fraction of the free surface area is switched by an increased applied voltage. Additional, as a thin film electron emitter, bismuth ferrite (BFO) films were investigated. Ferroelectric relaxor lead magnesium niobate - lead titanate (PMN-PT) was used as single crystal electron emitter due to its low coercive field. The time-dependent electron emission process from PMN-PT was clarified with the help of exciting voltage pulses of variable duration. It is demonstrated that FEE from PMN-PT can be described in the framework of a random field model for relaxors, with the measured electron flux correlating with the amount of reversed polarization. The time-resolved analysis gives insight into the polarization switching and screening processes within PMN-PT. The local electron emission from PMN-PT single crystals has been investigated, in the nanometer regime, with the help of an AFM tip serving as an electron detector. Additionally, the influence of the aperture size in the top electrode on the emission has been investigated. It is found that the electron emission is strongly influenced by the electric field distribution in the aperture. An optimum aperture width for electron emission from PMN-PT, which is much smaller than the apertures used so far, was found. Comparative investigations of the electron emission process from relaxors with barium titanate showed that the emission from PMN-PT is much more complex than the emission from a conventional ferroelectric. General conclusions on the future applications of FEE can be drawn.

Im Rahmen dieser Dissertation wurden Experimente zur Wechselwirkung von schnellen Atomen mit Oberflächen von Oxidkristallen, Metallkristallen und ultradünnen Oxidfilmen auf Metalloberflächen durchgeführt und modellhaft beschreiben. Die Experimente wurden im Regime der streifenden Streuung für Energien im keV-Bereich durchgeführt. Diese Streugeometrie bietet den Vorteil einer außerordentlich hohen Oberflächensensitivität und somit die Möglichkeit, die kristallographischen Eigenschaften der obersten Atomlage zu untersuchen. Darüber hinaus wurden Experimente zur Bestimmung des Energieverlustes der an den verschiedenen Oberflächen gestreuten Projektile und zur, durch diese Projektile induzierten, Elektronenemission durchgeführt. Die Anregungsenergie für die Elektronenemission und Exzitonen wurde an der Alumina/NiAl(110)- und der SiO2/Mo(112)- Oberfläche für die Streuung von He bestimmt. Durch die Bestimmung der Anzahl von emittierten Elektronen in Abhängigkeit des azimutalen Winkels konnten die Strukturen von obersten Lagen von Adsorbaten mit der Methode der Ionenstrahltriangulation bestimmt werden. / In the framework of the present dissertation the interactions of fast atoms with surfaces of bulk oxides, metals and thin films on metals were studied. The experiments were performed in the regime of grazing incidence of atoms with energies of some keV. The advantage of this scattering geometry is the high surface sensibility and thus the possibility to determine the crystallographic and electronic characteristics of the topmost surface layer. In addition to these experiments, the energy loss and the electron emission induced by scattered projectiles was investigated. The energy for electron emission and exciton excitation on Alumina/NiAl(110) and SiO2/Mo(112) are determined. By detection of the number of projectile induced emitted electrons as function of azimuthal angle for the rotation of the target surface, the geometrical structure of atoms forming the topmost layer of different adsorbate films on metal surfaces where determined via ion beam triangulation.

In dieser Arbeit wird mit Hilfe der koinzidenten Messung des Energieverlusts gestreuter Projektile zusammen mit der Anzahl emittierter Elektronen pro Streuprozess die Wechselwirkung schneller Atome mit Metalloberflächen untersucht. Dabei wird insbesondere die streifende Streuung der Edelgasatome Helium, Neon und Argon an Al(110)-, Al(111)- und Cu(111)-Oberflächen betrachtet. In den ersten Kapiteln wird die Messmethode der streifenden Streuung, der verwendete experimentelle Aufbau sowie der Charakterisierung der untersuchten Metalloberflächen anhand ihrer geometrischen und elektronischen Eigenschaften erläutert. Nach einführenden Betrachtungen zu Energieverlust und Elektronenemission bei der streifenden Streuung von Heliumatomen erfolgt eine detaillierte Diskussion zum Schwellenverhalten der kinetischen Elektronenemission (KE). Dabei wird gezeigt, dass das Schwellenverhalten durch ein Modell basierend auf dem zentralen Stoss zwischen Projektil und Valenzelektronen beschrieben werden kann. Aus den Schwellengeschwindigkeiten werden Informationen über Elektronenimpulse und Elektronenpotentiale vor Metalloberflächen abgeleitet. Ferner wird die Streuung von Neon- und Argonatomen untersucht. Für das System Ne-Al(111) wird ab Senkrechtenergien von ca. 25 eV Elektronenpromotion beobachtet. KE unterhalb der klassischen Schwelle für die Streuung von Neon- und Argonatomen wird im Rahmen von zwei alternativen Modellen interpretiert: der Effekt der Impulsdichteverteilung der Elektronen vor der Oberfläche oder die gleichzeitige Anregung zweier benachbarter Elektronen mit anschließenden Auger-Zerfall. Abschließend die unterschiedlichen KE für axiales und planares Oberflächen-Channeling untersucht und interpretiert. / The kinetic electron emission (KE) in coincidence with the energy loss of noble gas atoms impinging on metal surfaces under grazing angles of incidence is studied. Results for scattering of helium, neon, and argon atoms from Al(111), Al(110), and Cu(111) are presented and discussed. In the first chapters the experimental technique of grazing scattering, the experimental setup, and a geometric and electronic characterization of the surfaces is described. General aspects of projectile energy loss and KE for grazing scattering of helium atoms are discussed. It is shown that the threshold behavior of the KE can be interpreted in terms of a simple model of binary-encounter between projectiles and valence electrons. From threshold velocities for KE electron momenta and potentials in front of the studied metal surfaces are derived. Then special features for the grazing scattering of neon and argon are discussed. For neon impinging on Al(111) with energies normal to the surface above 25 eV electron promotion was found to dominate the electron emission process. Sub-threshold KE for scattering of neon and argon atoms is interpreted by two models. The first one is based on the local electron momentum distribution in front of the surface. The second one involves correlated excitation of two conduction electrons well above the Fermi level with subsequent emission of an electron via Auger deexcitation. Furthermore an explanation for the different KE yields under axial and planar surface channeling conditions is provided.

Die vorliegende Arbeit untergliedert sich in drei aufeinander aufbauende Themenkomplexe. Der erste Komplex umfasst Untersuchungen zum Nachweis und zur Quantifizierung von Beugungsanteilen in der ioneninduzierten Elektronenemission (IILEED). Dazu wurden bei der streifenden Streuung schneller He und H -Ionen an Cu(001) energiedispersive zweidimensionale Winkelverteilungen emittierter Elektronen aufgenommen. Es konnten reflexartige Intensitäten in der ioneninduzierten Elektronenemission nachgewiesen werden, deren Raumwinkeländerungen in Abhängigkeit von Anregungsrichtung und Detektionsenergie mittels einer modifizierten Ewaldkonstruktion quantitativ nachvollziehbar sind. Die beobachteten Beugungsstrukturen geben Aufschluss über den ursächlichen elektronischen Anregungsprozess an der Oberfläche. Im zweiten Teil wird die ioneninduzierten Elektronenemission beim Wachstum ultradünner 3d-Übergangsmetallfilme (Co, Fe, Mn) auf Cu(001) untersucht. Die streng zum jeweiligen Wachstumsstadium korrelierten Änderungen der Energiespektren und Anzahlverteilungen emittierter Elektronen (SEE-Oszillationen), sind hauptsächlich auf binäre Stossprozesse der Projektile mit Stufenkanten zurückzuführen. Die SEE-Oszillationen können zur in-situ Wachstumsanalyse und Bedeckungsbestimmung ultradünner Filme herangezogen werden. Im dritten Abschnitt wird eine neue Messmethode zur Analyse komplex rekonstruierter Oberflächenstrukturen vorgestellt. Die Methode der „Ionenstrahltriangulation“ (IST) basiert auf der relativen Änderung der Anzahlverteilung emittierter Elektronen bei azimutaler Drehung der Probenoberfläche. Bestimmt werden die azimutale Richtung und die relative Breite von Oberflächenkanälen in der obersten atomaren Lage. Die Registrierung der pro Streuprozess emittierten Elektronenanzahl eröffnet erstmalig eine quantitative Simulation von IST-Messkurven. Auf dieser Grundlage können mittels IST die lateralen Atompositionen langreichweitig geordneter Oberflächenstrukturen auf mehrere hundertstel Angström genau festgelegt werden. Das hohe strukturanalytische Potential dieser Messmethode demonstrieren IST-Untersuchungen an den Strukturphasen der Systeme Mn/Cu(001) und Fe/Cu(001). / H+ and He+ ions with an energy of 25 keV are scattered under a grazing angle of incidence from a clean and flat Cu(001) surface. For specific azimuthal orientations of the crystal surface with respect to low index directions in the surface plane we observe the ion induced emission of electrons with a conventional LEED (low energy electron diffraction) setup. By operating the instrument in an energy dispersive mode we find intensity distributions of emitted electrons which can unequivocally be ascribed to diffraction effects at the target surface. From this ion induced LEED-reflexes (IILEED) we get important information about the electron excitation- and emission effects during the scattering process. In the second part of this work we investigate the correlation between thin-film growth (Co, Fe, Mn on Cu(001)) and electron emission in the regime of grazing ion scattering. The “rough” surface of uncompleted layers increase the probability of binary collisions of incident ions with individual atoms at the surface. The energy spectras and the number distribution of emitted electrons are substantially influenced by these “violent” collisions and allow us to monitor growth of thin films via simple measurements of target current or from energy spectra of emitted electrons. The method provides excellent signals and is also applicable in the regime of poor layer growth. By making use of ion beam triangulation (IBT), direct information on the atomic structure of thin films and substrate surfaces is obtained. We discuss in the third part of this work a new variant of this method based on the detection of the number of emitted electrons. The data are analyzed via computer simulations using classical mechanics which provides a quantitative analysis with respect to projectile trajectories. This new detection scheme allows the determination of the in-plane structure of reconstructed thin films and surfaces with high precision. The impressed potential of this method is demonstrated by quantitative analysis of the structural phases of Fe and Mn on Cu(001).

Electron emission from ferroelectric materials is initiated by a variation of the spontaneous polarization. It is the main focus of this work to develop ferroelectric cathodes, which are characterized by a significantly decreased excitation voltage required to initiate the electron emission process. Particular attention is paid to the impact of the polarization on the emission process. Two materials are investigated. Firstly, relaxor ferroelectric lead magnesium niobate - lead titanate (PMN-PT) single crystals are chosen because of their low intrinsic coercive field. Electron emission current densities up to 5 · 10^(−5) A/cm² are achieved for excitation voltages of 160 V. A strong enhancement of the emission current is revealed for the onset of a complete polarization reversal. Secondly, lead zirconate titanate (PZT) thin films are investigated. A new method to prepare top electrodes with sub-micrometer sized, regularly patterned apertures is introduced and a stable electron emission signal is measured from these structures for switching voltages < 20 V. Furthermore, a detailed analysis of the polarization switching process in the PMN-PT samples is given, revealing a spatial rotation of the polarization vector into crystallographic easy axes, as well as the nucleation of reversed nano-domains. Both processes are initiated at field strengths well below the coercive field. The dynamics of the polarization reversal are correlated to the electron emission measurements, thus making it possible to optimize the efficiency of the investigated cathodes. / Die Ursache für Elektronenemission aus ferroelektrischen Materialien ist eine Veränderung des Zustandes der spontanen Polarisation. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist eine Verringerung der dafür nötigen Anregungsspannung, wobei besonderes Augenmerk auf die Rolle der ferroelektrischen Polarisation innerhalb des Emissionsprozesses gelegt wird. Es werden zwei verschiedene Materialien untersucht. Das Relaxor-Ferroelektrikum Bleimagnesiumniobat - Bleititanat (PMN-PT) wurde aufgrund seines geringen Koerzitivfeldes ausgewählt. Es konnten Emissionsstromdichten von bis zu 5·10^(−5) A/cm² bei einer Anregungsspannung von 160 V erreicht werden. Bei Einsetzen eines vollständigen Umschaltens der Polarisation wurde eine deutliche Verstärkung des Emissionsstromes festgestellt. Desweiteren werden Untersuchungen an Bleizirkoniumtitanat (PZT) Dünnfilmen gezeigt. Eine neue Methode, eine Elektrode mit periodisch angeordneten Aperturen im Submikrometerbereich zu präparieren, wird vorgestellt. Diese Strukturen liefern ein stabiles Emissionssignal für Anregungsspannungen < 20 V. Eine detailierte Analyse des Schaltverhaltens der Polarisation der PMN-PT Proben zeigt sowohl eine Rotation des Polarisationsvektors als auch eine Nukleation umgeschaltener Nanodomänen. Beide Prozesse starten bei Feldstärken unterhalb des Koerzitivfeldes. Die ermittelte Zeitabhängigkeit des Schaltprozesses erlaubt Rückschlüsse auf den Emissionsprozess und erlaubt es, die Effizienz der untersuchten Kathoden weiter zu optimieren.

Electron emission from ferroelectric materials is initiated by a variation of the spontaneous polarization. It is the main focus of this work to develop ferroelectric cathodes, which are characterized by a significantly decreased excitation voltage required to initiate the electron emission process. Particular attention is paid to the impact of the polarization on the emission process. Two materials are investigated. Firstly, relaxor ferroelectric lead magnesium niobate - lead titanate (PMN-PT) single crystals are chosen because of their low intrinsic coercive field. Electron emission current densities up to 5 · 10^(−5) A/cm² are achieved for excitation voltages of 160 V. A strong enhancement of the emission current is revealed for the onset of a complete polarization reversal. Secondly, lead zirconate titanate (PZT) thin films are investigated. A new method to prepare top electrodes with sub-micrometer sized, regularly patterned apertures is introduced and a stable electron emission signal is measured from these structures for switching voltages < 20 V. Furthermore, a detailed analysis of the polarization switching process in the PMN-PT samples is given, revealing a spatial rotation of the polarization vector into crystallographic easy axes, as well as the nucleation of reversed nano-domains. Both processes are initiated at field strengths well below the coercive field. The dynamics of the polarization reversal are correlated to the electron emission measurements, thus making it possible to optimize the efficiency of the investigated cathodes. / Die Ursache für Elektronenemission aus ferroelektrischen Materialien ist eine Veränderung des Zustandes der spontanen Polarisation. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist eine Verringerung der dafür nötigen Anregungsspannung, wobei besonderes Augenmerk auf die Rolle der ferroelektrischen Polarisation innerhalb des Emissionsprozesses gelegt wird. Es werden zwei verschiedene Materialien untersucht. Das Relaxor-Ferroelektrikum Bleimagnesiumniobat - Bleititanat (PMN-PT) wurde aufgrund seines geringen Koerzitivfeldes ausgewählt. Es konnten Emissionsstromdichten von bis zu 5·10^(−5) A/cm² bei einer Anregungsspannung von 160 V erreicht werden. Bei Einsetzen eines vollständigen Umschaltens der Polarisation wurde eine deutliche Verstärkung des Emissionsstromes festgestellt. Desweiteren werden Untersuchungen an Bleizirkoniumtitanat (PZT) Dünnfilmen gezeigt. Eine neue Methode, eine Elektrode mit periodisch angeordneten Aperturen im Submikrometerbereich zu präparieren, wird vorgestellt. Diese Strukturen liefern ein stabiles Emissionssignal für Anregungsspannungen < 20 V. Eine detailierte Analyse des Schaltverhaltens der Polarisation der PMN-PT Proben zeigt sowohl eine Rotation des Polarisationsvektors als auch eine Nukleation umgeschaltener Nanodomänen. Beide Prozesse starten bei Feldstärken unterhalb des Koerzitivfeldes. Die ermittelte Zeitabhängigkeit des Schaltprozesses erlaubt Rückschlüsse auf den Emissionsprozess und erlaubt es, die Effizienz der untersuchten Kathoden weiter zu optimieren.