Implementierung eines Detektors für ultraschnelle reflektive Hochenergieelektronenbeugung und zeitaufgelöste Messungen zur Anregung der Si(111)-(7×7)-Rekonstruktion
Die vorliegende Arbeit präsentiert die Implementierung einer indirekten faser-gekoppelten CMOS-basierten Elektronen-Kamera (TemCam-XF416 UHV) in einen experimentellen Aufbau zur ultraschnellen reflektiven Hochenergieelektronenbeugung (URHEED), sowie Ergebnisse von zeitaufgelösten Experimenten zur Anregung der Si(111)-(7×7)-Rekonstruktion durch Laserpulse unterschiedlicher Fluenz. Nach einer Einführung zur Elektronenbeugung und in das Materialsystem wird der Aufbau des URHEED-Experiements erläutert. Der anschließende Abschnitt behandelt die Implementierung der TemCam-XF416 (TemCam). Der letzte Abschnitt der Arbeit der Arbeit präsentiert die Ergebnisse zeitaufgelöster Experimente zur Anregung der Si(111)-(7×7)-Rekonstruktion mit der implementierten TemCam.
Hierbei wird auf die Umstellung der Laborautomatisierung auf das TANGO-Controls-System eingegangen, die eine Modularisierung und Flexibilisierung der Experimente sowie das einfache Aufnehmen von Metadaten während Experimenten erlaubt.
Neben der grundlegenden Funktionsweise der TemCam wird die Umsetzung von Dunkel- und Hellbildaufnahmen behandelt, die es ermöglichen, Kameraartefakte zu korrigieren.
Des Weiteren wird eine Prozedur zum Ausheizen der Vakuumkammer trotzt Temperatursensibilität der TemCam vorgestellt und ein Vergleich zur vorherigen MCP-basierten Detektionseinheit gezogen.
Hierfür werden zunächst die grundsätzlichen Abläufe von Messungen am URHEED-Experiment beschreiben, wobei experimentelle Einschränkungen wie die Lichtsensitivität der TemCam berücksichtigt werden mussten.
Die Anregung der Si(111)-(7×7)-Rekonstruktion nach Beleuchtung durch Laserpulse mit unterschiedlich starken Fluenzen äußert sich in den im UHREED aufgenommenen Beugungsbildern auf Grund des Debye-Waller-Effekts in einer Veränderung der Intensitäten in Abhängigkeit der Zeitdifferenz nach der Anregung.
Mit dem k-Means-Algorythmus wird ein Verfahren vorgestellt, dass es ermöglicht die dabei beobachteten verzögerungszeitabhängigen Intensitätsentwiklungen anhand ihrer Verläufe zu Gruppieren und so die charakteristischen Dynamiken bestimmen zu können.
Das Bilden von relativen Differenzen der integralen Intensitäten in den gefundenen Clustern ermöglicht die Untersuchung Abhängekit der Stärke der Anregung von der Fluenz.
Durch die Verwendung eines Populationsmodels konnten Lebenszeiten unterschiedlicher Phononensysteme bestimmt und schließlich der Weg der Anregung auf die elektronischen Oberflächenzustände der Si(111)-(7×7)-Rekonstruktion zurückgeführt werden.
This work presents the implementation of an indirect fiber-coupled CMOS-based electron camera (TemCam-XF416 UHV) into an experimental setup for ultrafast reflective high-energy electron diffraction (URHEED), as well as results from time-resolved experiments on the excitation of Si(111)-(7×7) reconstruction by laser pulses of different fluence. After an introduction to electron diffraction and the material system, the setup of the URHEED experiment is explained. The following section deals with the implementation of the TemCam-XF416 (TemCam). The final section of the thesis presents the results of time-resolved experiments on the excitation of the Si(111)-(7×7) reconstruction using the implemented TemCam.
This includes a discussion of the conversion of laboratory automation to the TANGO Controls system, which allows for modularization and flexibility of the experiments as well as easy recording of metadata during experiments.
In addition to the basic functionality of the TemCam, the implementation of dark and flat image recordings is discussed, which enable camera artifacts to be corrected.
Furthermore, a procedure for baking out the vacuum chamber despite the temperature sensitivity of the TemCam is presented and a comparison with the previous MCP-based detection unit is made.
First, the basic measurement procedures used in the URHEED experiment are described, taking into account experimental limitations such as the light sensitivity of the TemCam.
The excitation of the Si(111)-(7×7) reconstruction after illumination by laser pulses with different fluences is reflected in the diffraction images recorded in the UHREED due to the Debye-Waller effect in a change in intensities depending on the time delay after excitation.
Using the k-means algorithm, a method is presented that makes it possible to group the observed delay-dependent intensity developments based on their progression and thus determine the characteristic dynamics.
Forming relative differences of the integral intensities in the clusters found enables the investigation of the dependence of the excitation strength on the fluence.
By using a population model, the lifetimes of different phonon systems could be determined and ultimately the excitation path could be traced back to the electronic surface states of the Si(111)-(7×7) reconstruction.