Development of Ultrabright Electron Sources and Time-Resolved Low-Energy Electron Diffractometer (LEED)

Abstract

Niederenergetische Elektronenbeugung (‚Low Energy Electron Diffraction‘, LEED) ist in der Lage, die Oberflächenstruktur von Materie mit bis zu einschichtiger Empfindlichkeit und atomarer räumlicher Auflösung zu bestimmen. Mit dieser oberflächensensitiven Technik kann bei entsprechender Einführung von Femtosekunden-Pump-Probe-Protokollen eine chemische Reaktion der Oberfläche, die atomare und molekulare Strukturänderungen an der Oberfläche begleitet, in einem ultraschnellen Zeitmaßstab abgebildet werden. In dieser Arbeit wird eine zeitaufgelöste LEED Technik für den angegebenen Zweck demonstriert, indem die neueste ‚streak camera‘ Technologie mit dem Ziel genutzt wird, eine zeitliche Auflösung von weniger als einer Pikosekunde für ein Elektronenbündel mit niedriger Energiedichte zu realisieren (Elektronenanzahl > 104 pro Puls). Für einen energiearmen Elektronenpuls mit niedriger Dichte (<102 Elektronen pro Puls) wird die aktive Steuerung der Pulsdauer durch eine auf Lichtwellenleitern basierende, niederenergetische Elektronenquelle demonstriert. Eine solche Steuerung ist die für die Bestimmung des beobachtbaren Zeitfensters der Dynamik in ‚streak camera‘ Experimenten von Bedeutung. Darüber hinaus wurde ein On-Chip Nanospitzen Feldemitter mit zwei integrierten Elektroden entwickelt, um eine ultrahelle Elektronenquelle herzustellen, die einen hochkohärenten und gebündelten Elektronenstrahl mit großem Strahlstrom erzeugen kann. Die zeitaufgelösten Messdaten werden getrennt für einen direkten als auch einen gebeugten Strahl analysiert. Somit können Artefakte, die durch kurzlebige elektrische Felder verursacht werden, von den eigentlich interessanten strukturveränderungsgetriebenen Phänomenen getrennt werden.

Low-energy electron diffraction (LEED) is capable of determining the surface structure of matter with few- to monolayer sensitivity and atomic spatial resolution. This surface-sensitive technique, with appropriate introduction of femtosecond pump-probe protocols, is capable of imaging a surface chemical reaction accompanying atomic and molecular structural changes at the surface on an ultrafast timescale. In this thesis, a transmission-mode time-resolved LEED is demonstrated for the expressed purpose by exploiting the state-of-the-art streak camera technology with the aim of the realization of subpicosecond temporal resolution for a high density low-energy electron bunch (>104 number of electrons per bunch). For a low density low-energy electron bunch (<102 number of electrons per bunch), active control of the bunch duration is demonstrated by an optical fiber-based low-energy electron gun, important to determine the observable time-window of dynamics in streaking experiments. In addition, an on-chip double-gated nanotip field emitter is developed for the purpose of making an ultrabright electron source that can generate a highly coherent and collimated electron beam with large beam current. The time-resolved measurement data are analyzed separately for a direct and diffracted beam in order to separate artificial kinetics caused by the transient electric field effect from the structural change-driven one of prime interest.