Das im Abschnitt 2.4 vorgestellte Flugzeitmassenspektrometer wurde in Kombination mit dem gepulst betriebenen Ionenspiegel zur Separation von Ionen bestimmter Massen aus dem Clusterstrahl genutzt. Diese Ionen konnten dann in Abhängigkeit ihrer kinetischen Energie deponiert oder auch implantiert werden. Außerdem kann man mit dem Aufbau das Frag-mentationsverhalten der Cluster beim Aufprall auf Festkörperoberflächen untersuchen. In den folgenden Kapiteln wird die Funktionsweise der einzelnen Betriebsmodi erläutert.
Eine Probenpräparation unter sanften Bedingungen, also vergleichweise geringen kinetischen Energien, erfodert eine möglichst geringe Energieauflösung der massenselektierten Clusterio-nen. Unter anderem können bei einer zu großen Energieverteilung Fragmentationsprozesse die Präparation stören. Neben der niedrigen Transmission der gängigen Flugzeitmassen-spektrometer ist aber gerade zumeist die schlechte Energieauflösung bedingt durch die große Beschleunigungszone im Flugzeitmassenspektrometer einer der Hauptnachteile der kolinea-ren Massenspektrometer beim Einsatz für die Massenselektion.
Die Energien der Cluster im Molekularstrahl hängen beim Wiley-McLaren-Aufbau haupt-sächlich von den Potenzialen UA und UB der ersten beiden Beschleunigungsnetze und der Startpositionkder Cluster im Massenspektrometer ab. Bei Beschleunigungsspannungen von z.B.UA = 2700 V und UB = 2400 V, erhält man aufgrund des kolinearen Aufbaus und dem dadurch bedingten nahezu vollständigen Ausfüllen der ersten Beschleunigungszone des Mas-senspektrometers Cluster mit translatorischen Energien von etwaEkin = 2550 eV±150 eV.
Die mittlere kinetische Energie der Cluster lässt sich durch Verringerung der Beschleuni-gungsspannungen oder durch ein geeignetes Abbremsfeld reduzieren. Die mittlere kinetische Energie kann z.B. durch den Einsatz eines Bremsfeldes an der Probe verringert werden. Mit einem Bremsfeld von ∆UProbe = 2400 V sind kinetische Energien zwischen 0 eV und 300 eV erreichbar. Cluster, die größer als N = 30 Atome sind, lassen sich so ohne Intensitätsverluste und ohne das Auftreten von Fragmentationsprozessen sanft landen. Die Energieverteilung ist für die Erzeugung von Oberflächen mit kleinen, implantierten Clustern unproblematisch, aber die Bedingungen sind zur sanften Deposition von kleinen Clustern nicht ausreichend.
Für das sanfte Deponieren kleinerer Cluster sind daher Techniken notwendig, die die Breite der Verteilung der kinetischen Energien von ∆E = 300 eV verringern. Dazu können meh-rere Wege beschritten werden. Der einfachste Weg, ohne eine Modifikation der Apparatur, besteht darin, die beiden Beschleunigungsspannungen des Flugzeitmassenspektrometers so weit zu senken, dass trotz einer Energieverteilung eine sanfte Deposition von kleinen Clus-tern möglich ist.
Eine Verringerung der Energieverteilung der auf die Probe auftreffenden Clusterionen kann auch erreicht werden, indem das Bremsfeld an der ProbeUProbe>UB einen Teil der massens-elektierten Cluster reflektiert. Diese beide Vorgehensweisen haben jedoch den Nachteil, dass sie zu teilweise erheblichen Intensitätsverlusten führen.
Opitz et al. haben aus diesem Grund eine spezielle Pulstechnik für kolineare Massenspek-trometer entwickelt [104]. Die Cluster wurden dazu vor der Massenauftrennung zunächst in einer zusätzlichen Beschleunigungszone durch Anlegen einer elektrischen Spannung in Rich-tung Clusterquelle reflektiert. Die von den Clustern dabei erhaltenen kinetischen Energien kompensierten teilweise die durch das eigentliche Massenspektrometer erhaltene Beschleu-nigung und verringerten die Energiebreite. Es konnte damit eine Energieauflösung von etwa 5% erreicht werden. Allerdings ergaben sich auch hierbei große Intensitätsverluste.
Daher musste eine Alternative entwickelt werden. Die dazu entworfene, gepulst betriebe-ne Abbremseinheit, die analog der positionsabhängigen Beschleunigung des Wiley-McLaren Massenspektrometer eine positonsabhängige Abbremsung der Cluster vornahm [54], ist in Abbildung 2.22 schematisch dargestellt.
Für den Abbremsprozess wurde ausgenutzt, dass die mit dem Flugzeitmassenspektrometer erzeugten Clusterionenpulse eine inhomogene Geschwindigkeitsverteilung besitzten. Cluster,
Ende des Pulses (vCluster(x1)> vCluster(x2)), wobei x1 und x2 die Positon im Clusterpuls an-geben. Das sorgte nach Wiley und McLaren dafür, dass alle Ionen optimalerweise gleichzeitig den MCP-Detektor erreichen konnten. Durch den Einsatz eines gepulsten elektrischen Feldes konnte die DifferenzvCluster(x1)−vCluster(x2)verringert und somit auch die Energieverteilung der Cluster geschmälert werden.
Die aufgebaute Einheit bestand aus vier parallelen Äquipotenzialnetzen. Das Netz I der Abbremseinheit diente hauptsächlich zum Abschirmen der an Netz II angelegten Abbremss-pannung UBremspuls, definierte aber auch gleichzeitig eine Beschleunigungszone für Cluster im Bereich A. Das Netz III begrenzte die Bremszone B der Einheit und trennte zusätzlich die Zone C zum Abfragen der Energieverteilung der Cluster nach der Energieschmälerung ab. Die vier Netze wurden mit Hilfe von jeweils zwei Aluminiumringen gespannt und hatten jeweils einen Durchmesser von 45 mm. Die Zone A war 15 mm die Zone C 20 mm lang, die Zone B hatte eine Ausdehnung von z = 50 mm. Die gesammte Einheit wurde fest in ein Edel-stahlrohr montiert, sodass ein einfacher Positionswechsel der kompakten Einheit möglich war.
Ubrems
Clusterpuls x1
x2
Bremszone
Energie-abfrage
Beschleunigung-zone
Flugrichtung
z
I II III IV
B
A C
v x( )1 v x( )2
v x( )
Abbildung 2.22:Aufbau der Abbremseinheit. Die Abbremseinheit besteht aus vier Netzen, die eine Beschleunigungszone A, eine Abbremszone B und eine Region zum Abfragen der kinetischen Energie C definieren.
Der Abbremsprozess der Cluster wurde durch das Anlegen eines Hochspannungspulses mit UBremspuls<0 V an Netz (II) gestartet, wenn sich alle Clusterionen eines durch das Massen-spektrometer erzeugten und mit dem Ionenspiegel umgelenkten Ionenpakets im Bereich B der Abbremseinheit befanden. Die Dauer dieses Bremspulses war solang gewählt, dass al-le Cluster das Netz (III) passieren konnten, bevor die Hochspannung ausgeschaltet wurde.
Dieses Vorgehen führte dazu, dass die Cluster am Anfang (x1) eines Pulses einen niedri-gen Potenzialanstieg als die Cluster am Ende (x2) des Pulses überwinden mussten. Dadurch
konnte die kinetischen Energieverteilung innerhalb eines Ionenpakets verringert werden ohne zusätzliche, größere Intensitätsverluste in Kauf nehmen zu müssen.
Der richtige ZeitpunkttBremspuls konnte anhand der Form des Massensignals am Ionendetek-tors gewählt werden, da Cluster die zum ZeitpunkttBremspuls im Bereich A oder C waren, zu einem anderem Zeitpunkt am Detektor ankamen, als Cluster die sich im Bremsfeld befanden.
1900 2100 2300 2500 2700 2900
-0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2
kinetische Energie der Cluster [eV]
abgebremste
Bismutatom-kationen (UBrems=-650 V)
σ=30 6 eV+
-Intensität [bel.Einh.] nicht gebremste
Bismutatom-kationen (UBrems=0 V)
σ=67 6 eV+
-Abbildung 2.23:Vergleich der Energieverteilung mit und ohne Abbremseinheit. Durch das Anlegen eines Hochspannungspulses UBrems=-650 V verbesserte sich die Standardabwei-chungσ von 67±6 eV auf 30±6 eV.
Die kinetische Energieverteilung konnte beim Deponieren auf eine Probe mit dem Netz (IV) oder mit dem Abbremsnetz vor dem MCP-Detektor bestimmt werden. Die Änderung
∆E für einen Clusterpuls ist gegeben durch das Produkt aus der elektrischen Feldstärke Eelektr =UBremspuls/z in der Zone B, der Elementarladungeund der räumlichen Ausdehnung des Clusterpulses ∆x:
∆E = UBremspuls·e
z ·∆x=Eelektr·e·∆x (2.19)
Anhand der Peakbreite des Bi+ in den Massenspektren und der Schaltzeiten für die Hoch-spannungspulse an dem Spiegel konnte die Ausdehnung der Bi+-Pulse zu 10 bis 20 mm abgeschätzt werden. Mit UBremspuls = -650 V, z = 50 mm und ∆x = 10 bis 20 mm ergibt sich ∆EFWHM = 130−260 eV. Dieses entspricht einer theoretischen Verbesserung der Ener-giebreite um etwa 43% bis 87%.
Dabei ist rechts die Originalverteilung ohne Abbremspuls (a) und links eine mit der gepuls-ten Einheit (UBrems = -650 V) veränderte Energieverteilung (b) dargestellt. Die Spannungen UAund UB betrugen bei der Messung 2770 V und 2470 V. Mit Hilfe der Verteilungsfunktion F(Ekin):
F(Ekin) = 1 2
1 +erf
Ekin−µ σ·√
2
(2.20) wurde der Erwartungswert der kinetischen Energie µ und die Standardabweichung σ be-stimmt. Die Energiebreite des Pulses hat sich durch den Einsatz der Abbremseinheit von σ = (67±4) eV auf σ = (30±6) eV, also um etwa 45% verbessert und die mittlere kineti-sche Energie wurde von µ= 2620 eV auf µ= 2214 eV gesenkt. Dieses liegt im Rahmen der theoretischen Vorhersage. Mit der erreichten Energieverteilung können somit Cluster mit 20 Atomen ohne Intensitätsverluste sanft gelandet werden.
Bei größeren Bremsspannungen wurde beobachtet, dass sich die Energieverteilung wieder verbreiterte. Es ergab sich somit eine optimale Abbremsspannung, die durch Experimen-te zu bestimmen war. Diese Abweichung von der Theorie bei größeren Spannungen kann z.B. durch den stärkeren Einfluss von Feldinhomogenitäten und auf das einfache Modell des Geschwindigkeitsverlaufs innerhalb des Clusterpulses vor dem Abbremsen zurückgeführt werden.