German Title: bsEELS: Ein neue Methode zur Elektronen Energieverlust Spektroskopie in einen Rasterelektronenmikroskop

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Abstract

In this doctoral thesis I introduce the novel approach of performing electron energy loss spectroscopy (EELS) on backscattered electrons (BSE) inside a scanning electron microscope (SEM), which we call backscattered EELS (bsEELS). EEL spectra from BSE are acquired at ultra-low primary electron energy down to 10 eV with 1 nm spatial resolution. This allows large area spectroscopic imaging studies on bulk materials with surface signal information confined to few nanometers, thereby complimenting and bridging the limitations of established (scanning) transmission electron microscopy ((S)TEM-) EELS and high resolution / reflective (HR/R-) EELS methods. The experimental data from a variety of inorganic, carbon, and organic materials prove that bsEELS is in particular suited to access the low-loss energy regime containing primarily surface plasmon and conduction band excitations. Current limitations concerning the energy resolution caused by energy spreading on the bent beam path towards a retarding grid potential spectrometer are discussed in detail. A forward convolution model is established to interpret the experimental data with respect to spectroscopic reference measurements (UV-Vis, TEM EELS, HREELS). Finally, improvements of the current experimental design are discussed to access high-resolution spectral information with bsEELS in the future.

Translation of abstract (German)

In dieser Doktorarbeit stelle ich eine neue Methode der Elektronen Energieverlust-Spektroskopie (EELS) an rückgestreuten Elektronen (RE) in einem Rasterelektronen Mikroskop (REM) vor, die wir "backscattered EELS" (bsEELS) nennen. Energieverlust-Spektren der RE werden bei extrem niedrigen Primärenergien bis zu 10 eV bei 1 nm Ortsauflösung aufgenommen. Das ermöglicht die abbildende spektroskopische Untersuchung großer Flächen von dicken Proben bei der die Signalinformation auf nur wenige Nanometer der Proben-Oberfläche limitiert ist. Dadurch können die Einschränkungen etablierter Methoden wie (Raster-)Transmissionselektronen Mikroskopie ((R)TEM) EELS und "high resolution" / Rückstreu (HR-/R-) EELS überbrückt und ergänzt werden. Die experimentellen Ergebnisse von unterschiedlichen nicht-organischen, Kohlenstoff- und organischen Materialien zeigen, dass bsEELS insbesondere geeignet ist den Bereich des niedrigen Energieverlustes mit Anregungen von Oberflächenplasmonen und Leitungsband Elektronen abzubilden. Derzeit ist die Methode vorwiegend durch mangelnde Energieauflösung eingeschränkt, die von dem gebeugten Strahlengang zum Gegenfeld Gitter-Spektrometer verursacht wird. Ein vorwärts Faltungs-Modell wird angewendet, um die experimentellen Daten zu interpretieren und mit spek- troskopischen Referenzdaten (von UV-Vis, TEM EELS, HREELS) zu vergleichen. Schließlich werden Verbesserungen des derzeitigen Experiments diskutiert um in Zukunft hochaufgelöste bsEEL Spektren aufnehmen zu können.