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DE102016110301B3 - Method for generating an electron beam and / or electron pulse and an electron source and their use - Google Patents

Method for generating an electron beam and / or electron pulse and an electron source and their use Download PDF

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DE102016110301B3
DE102016110301B3 DE102016110301.2A DE102016110301A DE102016110301B3 DE 102016110301 B3 DE102016110301 B3 DE 102016110301B3 DE 102016110301 A DE102016110301 A DE 102016110301A DE 102016110301 B3 DE102016110301 B3 DE 102016110301B3
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DE
Germany
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light beam
metallic structure
electron
pulse
tip
Prior art date
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Application number
DE102016110301.2A
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German (de)
Inventor
Christoph Lienau
Petra Gross
Jan Vogelsang
Jörg Robin
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Carl Von Ossietzky Universitaet Oldenburg
Original Assignee
Carl Von Ossietzky Universitaet Oldenburg
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    • H01J37/06Electron sources; Electron guns
    • H01J37/073Electron guns using field emission, photo emission, or secondary emission electron sources
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    • H01J2237/061Construction

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  • Analytical Chemistry (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Elektronenstrahls und/oder eines Elektronenpulses, bei dem eine sich verjüngende metallische Struktur (14) mit einer Nanospitze (15) zum Abgeben von Elektronen verwendet wird, die metallische Struktur (14) als eine Kathode (11) verwendet wird, eine Spannung an die metallische Struktur (14) angelegt wird, und mit einem ersten Lichtstrahl (19) die metallische Struktur (14) bestrahlt wird. Um eine höhere zeitliche Auflösung zu ermöglichen ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Struktur (14) mit einem weiteren Lichtstrahl (25) bestrahlt wird, wobei aufgrund der Bestrahlung der metallischen Struktur (14) mit dem ersten Lichtstrahl (19) und dem weiteren Lichtstrahl (25) der Elektronenstrahl und/oder der Elektronenpuls erzeugt wird.The invention relates to a method for generating an electron beam and / or an electron pulse, in which a tapered metallic structure (14) with a nanotip (15) for emitting electrons is used, the metallic structure (14) being a cathode (11). is applied, a voltage is applied to the metallic structure (14), and with a first light beam (19), the metallic structure (14) is irradiated. In order to enable a higher temporal resolution, the method is characterized in that the metallic structure (14) is irradiated with a further light beam (25), due to the irradiation of the metallic structure (14) with the first light beam (19) and the other Light beam (25) of the electron beam and / or the electron pulse is generated.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen mindestens eines Elektronenstrahls und/oder eines Elektronenpulses, bei dem eine sich verjüngende metallische Struktur mit einer Nanospitze zum Abgeben von Elektronen verwendet wird, die metallische Struktur als eine Kathode verwendet wird, eine Spannung an die metallische Struktur angelegt wird, und mit einem ersten Lichtstrahl die metallische Struktur bestrahlt wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Elektronenquelle zum Erzeugen mindestens eines Elektronenstrahls und/oder Elektronenpulses mit einer Kathode, die eine sich verjüngende metallische Struktur aufweist und eine Nanospitze zum Abgeben von Elektronen hat, mit einem ersten Lasersystem zum Bestrahlen der metallischen Struktur mit einem ersten Lichtstrahl.The invention relates to a method for producing at least one electron beam and / or one electron pulse, wherein a tapered metallic structure having a nanotip for discharging electrons is used, the metallic structure being used as a cathode, a voltage is applied to the metallic structure , and with a first light beam the metallic structure is irradiated. Furthermore, the invention relates to an electron source for generating at least one electron beam and / or electron pulse having a cathode having a tapered metallic structure and a nanotip for discharging electrons, with a first laser system for irradiating the metallic structure with a first light beam.

Ein derartiges Verfahren bzw. eine entsprechende Elektronenquelle ist aus der DE 10 2015 108 893 B3 bekannt.Such a method or a corresponding electron source is known from DE 10 2015 108 893 B3 known.

Darüber hinaus ist es bekannt, eine Elektronenquelle und/oder ein Elektronenmikroskop zu verwenden, um Strukturen mit atomarer räumlicher Auflösung zu untersuchen. Zeitlich hoch aufgelöste Untersuchungen können mittels eines Lasers durchgeführt werden, die aufgrund breiter Spektren und/oder kurzer Wellenlängen eine Pulsdauer im Bereich von Femtosekunden (Abkürzung: fs) und darunter ermöglichen.Moreover, it is known to use an electron source and / or an electron microscope to study atomic spatial resolution structures. High-resolution investigations can be carried out by means of a laser which, due to broad spectra and / or short wavelengths, allows a pulse duration in the range of femtoseconds (abbreviation: fs) and below.

Um gleichzeitig eine hohe räumliche und eine hohe zeitliche Auflösung zu ermöglichen, kann die räumliche Auflösung von einer Elektronenquelle, insbesondere einem Elektronenmikroskop, mit der zeitlichen Auflösung und/oder Pulsdauer von Lasern verbunden werden. Bei derartigen sogenannten ultraschnellen Elektronenmikroskopen können kurze Elektronenpulse mittels Photoemission aufgrund eines ultrakurzen Laserpulses erzeugt werden. Eine solche Photoemission ist beispielsweise aus P. Dombi et al., Ultrafast strong-field photoemission from plasmonic nanoparticles, Nano Letters 13 (2013), S. 674–678 bekannt. Hierbei kann die zeitliche Auflösung des Laserpulses, zumindest in erster Näherung, auf den Elektronenpuls übergehen. Mit dem ultrakurzen Elektronenpuls kann eine Probe bestrahlt werden, wobei vorzugsweise die Probe zuvor mittels mindestens einem zweiten ultrakurzen Energiepuls und/oder Elektronenpuls angeregt wurde. Mittels der Variation der Verzögerung zwischen dem Eintreffen der beiden Pulse auf der Probe kann die zeitliche Entwicklung der Probe untersucht werden.In order to simultaneously enable a high spatial and a high temporal resolution, the spatial resolution of an electron source, in particular an electron microscope, with the temporal resolution and / or pulse duration of lasers can be connected. In such so-called ultrafast electron microscopes, short electron pulses can be generated by means of photoemission due to an ultrashort laser pulse. Such a photoemission is known, for example, from P. Dombi et al., Ultrafast strong-field photoemission from plasmonic nanoparticles, Nano Letters 13 (2013), pp. 674-678. In this case, the temporal resolution of the laser pulse, at least in a first approximation, pass to the electron pulse. With the ultrashort electron pulse, a sample can be irradiated, wherein preferably the sample was previously excited by means of at least a second ultrashort energy pulse and / or electron pulse. By varying the delay between the arrival of the two pulses on the sample, the temporal evolution of the sample can be studied.

Insbesondere bei einzelnen bekannten Elektronenquellen, wie beispielsweise aus der DE 11 2009 003 724 T5 , und/oder Elektronenmikroskopen, insbesondere ultraschnellen Elektronenmikroskopen, bestehen einige Nachteile. Wenn beispielsweise die Elektronen durch einen in seiner Größe beugungsbegrenzten Lichtfleck erzeugt werden, der bei moderater Fokussierung einige Mikrometer groß sein kann, besteht die Gefahr, dass eine Probe in den Lichtfleck bewegt wird. Dies kann zu einer unerwünschten Erwärmung der Probe, potenziell zur Auslösung unerwünschter zusätzlicher Elektronen und/oder potenziell zur Abschattung einer elektronenemittierenden Spitze der Elektronenquelle führen. Somit besteht das Risiko, dass kein kontrollierter Elektronenpuls und/oder gar keine Elektronen mehr ausgelöst werden.In particular, in individual known electron sources, such as from DE 11 2009 003 724 T5 , and / or electron microscopes, especially ultrafast electron microscopes, there are some disadvantages. For example, if the electrons are produced by a diffraction-limited light spot, which may be a few microns in size with moderate focus, there is a risk that a sample will be moved into the light spot. This can lead to unwanted heating of the sample, potentially triggering unwanted extra electrons, and / or potentially shading an electron-emitting tip of the electron source. Thus, there is the risk that no controlled electron pulse and / or no more electrons are triggered.

Für räumlich hoch auflösende Projektionsbilder ist ein möglichst geringer Abstand zwischen der Elektronenquelle und einer Probe notwendig. Insbesondere ist wünschenswert, dass der Abstand nur wenige hundert Nanometer beträgt. Auch für zeitlich hoch aufgelöste Messungen sollte der Abstand zwischen der Elektronenquelle und der Probe möglichst klein sein, was beispielsweise in dem in US 2011/0220792 A1 beschriebenen ultraschnellen Elektronenmikroskop nicht gegeben ist. Hierzu ist bekannt, abbildende Optiken zu verwenden oder eine laserbasierte Elektronenpunktquelle zur Abbildung einer Probe in einem Punktprojektionsmikroskop zu verwenden. Hierdurch kann der Abstand zwischen der Elektronenquelle und der Probe bis auf etwa 10 Mikrometer verkleinert werden. Mittels geeigneter Maßnahmen kann die zeitliche Auflösung und/oder die Elektronenpulsdauer auf etwa 100 Femtosekunden erhöht werden. Eine Verringerung des Abstandes kann jedoch aufgrund der Gefahr einer Bestrahlung der Probe durch eine Lichtquelle, insbesondere einen Laser zum Auslösen der Elektronen, limitiert sein.For spatially high-resolution projection images, the smallest possible distance between the electron source and a sample is necessary. In particular, it is desirable that the distance is only a few hundred nanometers. Even for measurements with high temporal resolution, the distance between the electron source and the sample should be as small as possible, which can be found, for example, in the US 2011/0220792 A1 described ultrafast electron microscope is not given. For this purpose, it is known to use imaging optics or to use a laser-based electron point source for imaging a sample in a point projection microscope. As a result, the distance between the electron source and the sample can be reduced to about 10 microns. By means of suitable measures, the temporal resolution and / or the electron pulse duration can be increased to about 100 femtoseconds. However, a reduction of the distance may be limited due to the risk of irradiation of the sample by a light source, in particular a laser for triggering the electrons.

Insbesondere bei einer starken Fokussierung des elektronenauslösenden Lichtstrahls und/oder Laserpulses zur Verkleinerung des Lichtflecks am Ort der Auslösung der Elektronen ist zwar ein geringerer Abstand zwischen der Elektronenquelle und der Probe realisierbar, jedoch nimmt hierbei der Öffnungswinkel des Lichtkegels zu. Dieser Lichtkegel, insbesondere mit einem Öffnungswinkel von einigen 10°, muss frei gehalten werden und steht somit nicht zur Platzierung von z. B. Elektronenlinsen zur Verfügung. Hierdurch besteht die Gefahr, dass das Design und/oder die Konstruktion von entsprechenden Linsensystemen stark eingeschränkt ist.In particular, with a strong focusing of the electron-triggering light beam and / or laser pulse to reduce the light spot at the location of the triggering of the electrons, a lesser distance between the electron source and the sample can be realized, but in this case increases the opening angle of the light cone. This cone of light, in particular with an opening angle of a few 10 °, must be kept free and is therefore not suitable for the placement of z. B. electron lenses available. This creates the risk that the design and / or construction of corresponding lens systems is severely limited.

Des Weiteren ist von Nachteil, dass die Größe des fokussierten Lichtes und/oder Lichtflecks, insbesondere im Bereich einiger Mikrometer, und der Elektronenquelle, insbesondere im Bereich einiger Nanometer, üblicherweise nicht übereinstimmen. Hierdurch entsteht der Nachteil, dass ein großer Teil der Laserenergie nicht zur Emission von Elektronen genutzt werden kann.Furthermore, it is disadvantageous that the size of the focused light and / or light spot, in particular in the range of a few micrometers, and the electron source, in particular in the range of a few nanometers, usually do not coincide. This has the disadvantage that a large part of the laser energy can not be used for the emission of electrons.

Die zeitliche Auflösung von bislang bekannten Elektronenquellen und/oder Elektronenmikroskopen, insbesondere von ultraschnellen Elektronenmikroskopen, ist auf etwa 100 Femtosekunden begrenzt. Somit sind Untersuchungen zeitlich schnellerer Prozesse mit einer solchen Elektronenquelle und/oder einem solchen Elektronenmikroskop nicht möglich. Insbesondere ist die Zeitauflösung durch die Propagationslänge der Elektronen von ihrer Erzeugung bis zur Wechselwirkung mit der Probe limitiert. Diese Limitierung der zeitlichen Auflösung kann sich durch ein zeitliches Verbreitern des Elektronenpulses, insbesondere durch chromatische Aberration und/oder elektrostatischer Abstoßungseffekte, ergeben. The temporal resolution of previously known electron sources and / or electron microscopes, in particular ultrafast electron microscopes, is limited to about 100 femtoseconds. Thus, investigations of temporally faster processes with such an electron source and / or such an electron microscope are not possible. In particular, the time resolution is limited by the propagation length of the electrons from their generation to the interaction with the sample. This limitation of the temporal resolution can result from a widening of the electron pulse over time, in particular due to chromatic aberration and / or electrostatic repulsion effects.

Es ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, ein Verfahren und/oder eine Elektronenquelle zum Erzeugen eines Elektronenstrahls und/oder eines Elektronenpulses der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass eine höhere zeitliche Auflösung und/oder ein geringerer Abstand zwischen der Elektronenquelle und einer Probe ermöglicht ist. Insbesondere soll eine zeitliche Komprimierung des Elektronenpulses am Probenort erreicht und/oder verbessert werden. Vorzugsweise soll eine Alternative zu bisher bekannten Verfahren und/oder Elektronenquellen bereitgestellt werden.It is the object underlying the invention to develop a method and / or an electron source for generating an electron beam and / or an electron pulse of the type mentioned above such that a higher temporal resolution and / or a smaller distance between the electron source and a sample possible is. In particular, a temporal compression of the electron pulse at the sample location is to be achieved and / or improved. Preferably, an alternative to previously known methods and / or electron sources should be provided.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird mittels eines Verfahrens der eingangs genannten Art gelöst, wobei die metallische Struktur mit einem weiteren Lichtstrahl bestrahlt wird, wobei aufgrund der Bestrahlung der metallischen Struktur mit dem ersten Lichtstrahl und dem weiteren Lichtstrahl der Elektronenstrahl und/oder der Elektronenpuls erzeugt wird. Des Weiteren wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe mittels einer Elektronenquelle der eingangs genannten Art gelöst, bei dem ein weiteres Lasersystem zum Bestrahlen der metallischen Struktur mit einem weiteren Lichtstrahl vorhanden ist, wobei aufgrund der Ausbildung des ersten Lasersystems und des weiteren Lasersystems zum Bestrahlen der metallischen Struktur der Elektronenstrahl und/oder der Elektronenpuls erzeugbar ist.The object underlying the invention is achieved by means of a method of the type mentioned, wherein the metallic structure is irradiated with a further light beam, wherein due to the irradiation of the metallic structure with the first light beam and the further light beam, the electron beam and / or the electron pulse generated becomes. Furthermore, the object underlying the invention is achieved by means of an electron source of the type mentioned, in which a further laser system for irradiating the metallic structure with a further light beam is present, due to the formation of the first laser system and the other laser system for irradiating the metallic Structure of the electron beam and / or the electron pulse can be generated.

Hierbei ist von Vorteil, dass der erste Lichtstrahl und der weitere Lichtstrahl individuell und/oder unabhängig von einander wählbar und/oder einstellbar sind. Insbesondere sind der erste Lichtstrahl und der weitere Lichtstrahl derart wählbar und/oder einstellbar, dass der gewünschte Elektronenstrahl und/oder Elektronenpuls erst bei einer geeigneten und/oder vorgegebenen Kombination der Bestrahlung der metallischen Struktur mit dem ersten Lichtstrahl und dem weiteren Lichtstrahl erzeugt wird. Vorzugsweise sind der erste Lichtstrahl und der weitere Lichtstrahl derart ausgebildet, dass der erzeugte Elektronenstrahl und/oder Elektronenpuls eine verbesserte und/oder höhere zeitliche Auflösung hat.It is advantageous that the first light beam and the further light beam are individually and / or independently selectable and / or adjustable. In particular, the first light beam and the further light beam can be selected and / or adjusted in such a way that the desired electron beam and / or electron pulse is generated only with a suitable and / or predetermined combination of the irradiation of the metallic structure with the first light beam and the further light beam. Preferably, the first light beam and the further light beam are formed such that the generated electron beam and / or electron pulse has an improved and / or higher temporal resolution.

Nach einer weiteren Ausführungsform wird der Elektronenstrahl und/oder der Elektronenpuls aufgrund einer räumlichen und/oder zeitlichen Überlagerung des ersten Lichtstrahls und des weiteren Lichtstrahls erzeugt. Vorzugsweise wird die metallische Struktur zeitlich nach dem ersten Lichtstrahl mit dem weiteren Lichtstrahl bestrahlt. Somit kann die Bestrahlung mit dem weiteren Lichtstrahl nach Beendigung der Bestrahlung mit dem ersten Lichtstrahl erfolgen. Insbesondere können sich der erste Lichtstrahl und der weitere Lichtstrahl räumlich mindestens teilweise oder vollständig überlagern. Gemäß einer alternativen Ausführungsform können sich der erste Lichtstrahl und der weitere Lichtstrahl zeitlich mindestens teilweise oder vollständig überlagern. Die Bestrahlung der metallischen Struktur mit dem weiteren Lichtstrahl kann innerhalb von weniger als 100 fs nach dem Ende der Bestrahlung mit dem ersten Lichtstrahl erfolgen. Die Bestrahlung mit dem ersten Lichtstrahl und dem weiteren Lichtstrahl kann mit einem vorgegebenen zeitlichen und/oder räumlichen Abstand beginnen und/oder erfolgen. Alternativ kann die Bestrahlung der metallischen Struktur mit dem ersten Lichtstrahl und mit dem weiteren Lichtstrahl gleichzeitig und/oder mindestens teilweise zeitlich überlagernd erfolgen. Hierbei kann der erste Lichtstrahl und der weitere Lichtstrahl auf dieselbe Stelle und/oder denselben Bereich des metallischen Struktur fokussiert sein. Alternativ können der erste Lichtstrahl und der weitere Lichtstrahl auf voneinander abweichende Stellen und/oder Bereiche der metallischen Struktur fokussiert sein.According to a further embodiment, the electron beam and / or the electron pulse is generated on the basis of a spatial and / or temporal superimposition of the first light beam and of the further light beam. Preferably, the metallic structure is irradiated temporally after the first light beam with the further light beam. Thus, the irradiation with the further light beam can be done after completion of the irradiation with the first light beam. In particular, the first light beam and the further light beam can spatially overlap at least partially or completely. According to an alternative embodiment, the first light beam and the further light beam may overlap in time at least partially or completely. The irradiation of the metallic structure with the further light beam can take place within less than 100 fs after the end of the irradiation with the first light beam. The irradiation with the first light beam and the further light beam can begin and / or occur at a predetermined time and / or spatial distance. Alternatively, the irradiation of the metallic structure with the first light beam and with the further light beam can take place simultaneously and / or at least partially overlapping in time. Here, the first light beam and the further light beam may be focused on the same location and / or the same area of the metallic structure. Alternatively, the first light beam and the further light beam may be focused on deviating points and / or regions of the metallic structure.

Vorzugsweise wird bei einer Bestrahlung der metallischen Struktur ausschließlich mit dem ersten Lichtstrahl oder ausschließlich mit dem weiteren Lichtstrahl kein Elektronenstrahl und/oder Elektronenpuls verursacht. Erst aufgrund einer vorgegebenen Kombination der Bestrahlung der metallischen Struktur mit dem ersten Lichtstrahl und dem weiteren Lichtstrahl wird der Elektronenstrahl und/oder der Elektronenpuls erzeugt. Insbesondere verursacht eine Bestrahlung der metallischen Struktur ausschließlich mit dem ersten Strahl oder ausschließlich mit dem weiteren Lichtstrahl eine, insbesondere für die Weiternutzung, vernachlässigbare Elektronenemission. Vorzugsweise ist unter einer Weiternutzung die Verwendung eines Elektronenstrahls und/oder Elektronenpulses in einem Elektronenmikroskop zur Untersuchung einer Probe zu verstehen.Preferably, upon irradiation of the metallic structure, no electron beam and / or electron pulse is caused exclusively with the first light beam or exclusively with the further light beam. Only on account of a predetermined combination of the irradiation of the metallic structure with the first light beam and the further light beam is the electron beam and / or the electron pulse generated. In particular, irradiation of the metallic structure exclusively with the first beam or exclusively with the further light beam causes a negligible electron emission, in particular for further use. Preferably, further use is understood to mean the use of an electron beam and / or electron pulse in an electron microscope for examining a sample.

Der erste Lichtstrahl kann durch eine erste Lichtquelle und/oder der weitere Lichtstrahl durch eine weitere Lichtquelle erzeugt werden. Insbesondere dient eine einzige und/oder gemeinsame Lichtquelle zum Erzeugen des ersten Lichtstrahls und/oder des weiteren Lichtstrahls. Vorzugsweise wird der erste Lichtstrahl, insbesondere als ein erster Lichtpuls, von einem ersten Lasersystem erzeugt. Der weitere Lichtstrahl, insbesondere als ein weiterer Lichtpuls, kann von einem weiteren Lasersystem erzeugt werden. Das erste Lasersystem und das weitere Lasersystem können eine einzige, gemeinsame Lichtquelle aufweisen oder jeweils eine eigene Lichtquelle haben. Vorzugsweise wird der erste Lichtstrahl aus einem ersten Wellenlängenbereich und der weitere Lichtstrahl aus einem von dem ersten Wellenlängenbereich verschiedenen weiteren Wellenlängenbereich gewählt. Somit können der erste Lichtstrahl und der weitere Lichtstrahl voneinander abweichende Wellenlängen aufweisen. Insbesondere geben das erste Lasersystem und das weitere Lasersystem jeweils einen Lichtstrahl und/oder Lichtpuls in voneinander abweichenden Wellenlängenbereichen ab. Somit können als erster Lichtstrahl und als weiterer Lichtstrahl Lichtpulse unterschiedlicher Farbe verwendet werden. Insbesondere ist der erste Lichtstrahl und/oder der weitere Lichtstrahl als eine elektromagnetische Welle ausgebildet.The first light beam can be generated by a first light source and / or the further light beam by a further light source. In particular, a single and / or common light source is used to generate the first light beam and / or the further light beam. Preferably, the first light beam, in particular as a first light pulse, is generated by a first laser system. The further light beam, in particular as a further light pulse, can be generated by another laser system. The first laser system and the further laser system can have a single, common light source or each have its own light source. Preferably, the first light beam is selected from a first wavelength range and the further light beam is selected from a further wavelength range that is different from the first wavelength range. Thus, the first light beam and the further light beam may have different wavelengths. In particular, the first laser system and the further laser system each emit a light beam and / or light pulse in different wavelength ranges. Thus, light pulses of different colors can be used as the first light beam and as a further light beam. In particular, the first light beam and / or the further light beam is designed as an electromagnetic wave.

Vorzugsweise hat der erste Lichtstrahl eine, insbesondere mittlere, Wellenlänge im sichtbaren Bereich. Insbesondere liegt die Wellenlänge des ersten Lichtstrahls im Bereich von 250 nm bis 750 nm. Der weitere Lichtstrahl kann eine, insbesondere mittlere, Wellenlänge im infraroten und/oder nah-infraroten Bereich aufweisen. Insbesondere liegt die Wellenlänge des weiteren Lichtstrahls im Bereich von 750 nm bis 1.000 nm. Vorzugsweise liegt die Wellenlänge des weiteren Lichtstrahls im Bereich von 750 nm bis 1.400 nm oder im Bereich von 750 nm bis 3.000 nm.Preferably, the first light beam has a, in particular average, wavelength in the visible range. In particular, the wavelength of the first light beam is in the range from 250 nm to 750 nm. The further light beam may have one, in particular average, wavelength in the infrared and / or near-infrared range. In particular, the wavelength of the further light beam is in the range from 750 nm to 1000 nm. The wavelength of the further light beam is preferably in the range from 750 nm to 1400 nm or in the range from 750 nm to 3000 nm.

Gemäß einer Weiterbildung werden Elektronen in der metallischen Struktur, insbesondere in der Nanospitze, mittels des ersten Lichtstrahls in einen Zwischenzustand, insbesondere oberhalb der Fermi-Energie, und/oder in einen Bildladungszustand überführt. Somit können Elektronen mit dem ersten Lichtstrahl vom Fermi-Niveau entkoppelt werden und oberhalb des Fermi-Niveaus und/oder der Fermi-Energie gespeichert werden. Insbesondere handelt es sich bei dem Zwischenzustand und/oder dem Bildladungszustand um einen Atom-ähnlichen Oberflächenzustand. Vorzugsweise stellt der Bildladungszustand einen, insbesondere langlebigen, Zwischenzustand für die Elektronen oberhalb der Fermi-Energie und/oder in Hinblick auf den zu erzeugenden Elektronenstrahl und/oder Elektronenpuls dar. Insbesondere verbleiben die Elektronen für eine Zeit von bis zu 100 fs in dem Zwischenzustand und/oder dem Bildladungszustand. Somit kann ein langlebiger Zwischenzustand in diesem Zusammenhang für eine Zeit von bis zu 100 fs andauern. Somit kann mittels des ersten Lichtstrahls eine optische Anregung der metallischen Struktur, insbesondere der Nanospitze, erfolgen. Die aufgrund der optischen Anregung in den Bildleiungszustand emittierten Elektronen erzeugen eine Polarisation der Ladungsverteilung im Inneren der metallischen Struktur, insbesondere der Nanospitze, die zu einer anziehenden Wechselwirkung mit dem austretenden Elektron führt. Insbesondere befinden sich die Elektronen in dem Bildladungszustand in einem vorgegebenen und/oder definierten Energiezustand, vorzugsweise oberhalb des Fermi-Niveaus.According to a development, electrons in the metallic structure, in particular in the nanotip, are converted by means of the first light beam into an intermediate state, in particular above the Fermi energy, and / or into an image charge state. Thus, electrons can be decoupled from the Fermi level with the first light beam and stored above the Fermi level and / or the Fermi energy. In particular, the intermediate state and / or the image charge state is an atom-like surface state. Preferably, the image charge state represents an, in particular long-lived, intermediate state for the electrons above the Fermi energy and / or with regard to the electron beam and / or electron pulse to be generated. In particular, the electrons remain in the intermediate state for a time of up to 100 fs / or the image charge state. Thus, a long lived intermediate state may persist in this regard for a time of up to 100 fs. Thus, by means of the first light beam, an optical excitation of the metallic structure, in particular the nanotip, take place. The electrons emitted due to the optical excitation in the Bildleiungszustand produce a polarization of the charge distribution in the interior of the metallic structure, in particular the nano-tip, which leads to an attractive interaction with the exiting electron. In particular, the electrons in the image charge state are in a predetermined and / or defined energy state, preferably above the Fermi level.

Vorzugsweise werden die Elektronen mittels des weiteren Lichtstrahls aus dem Bildladungszustand zum Erzeugen des Elektronenstrahls und/oder des Elektronenpulses ausgelöst. Somit können die Elektronen mittels des weiteren Lichtstrahls aus dem Zwischenzustand gelöst und als Elektronenstrahl und/oder Elektronenpuls freigegeben werden. Vorzugsweise erfolgt die Bestrahlung der metallischen Struktur mit dem weiteren Lichtstrahl zeitlich nach der Bestrahlung der metallischen Struktur mit dem ersten Lichtstrahl. Hierbei kann der zeitliche Abstand zwischen dem ersten Lichtstrahl und dem weiteren Lichtstrahl vorgegeben sein. Vorzugsweise beträgt der zeitliche Abstand weniger als 100 fs. Insbesondere erfolgt die Bestrahlung mit dem weiteren Lichtstrahl innerhalb von 100 fs nach dem Beenden der Bestrahlung mit dem ersten Lichtstrahl. Vorzugsweise verbleiben die Elektronen in dem Bildladungszustand nach dem Beenden der Bestrahlung mit dem ersten Lichtstrahl für eine Zeitdauer von bis zu 100 fs. Somit kann die metallische Struktur mit dem ersten Lichtstrahl und einem zeitlich verzögerten weiteren Lichtstrahl bestrahlt werden. Insbesondere wird die metallische Struktur mit einer Folge eines ersten Lichtpulses und eines weiteren Lichtpulses bestrahlt. Hierbei können der erste Lichtstrahl und der zweite Lichtstrahl zeitlich nacheinander folgend auf die metallische Struktur abgestrahlt werden oder sich räumlich und/oder zeitlich mindestens teilweise beim Bestrahlen der metallischen Struktur überlappen. Eine Feldstärke des ersten Lichtstrahls und/oder des weiteren Lichtstrahls kann derart eingestellt werden, dass der einzelne erste Lichtstrahl bzw. weitere Lichtstrahl zu einer vernachlässigbaren Elektronenemission führt, während die Bestrahlung der metallischen Struktur mit beiden Lichtstrahlen in der gewünschten Emission von Photoelektronen zum Erzeugen des Elektronenstrahls und/oder Elektronenpulses resultiert. Insbesondere wird für den ersten Lichtstrahl und/oder den weiteren Lichtstrahl eine Feldstärke im Bereich von einigen V/nm, insbesondere im Bereich von 1 V/nm bis 20 V/nm, eingestellt. Vorzugsweise muss eine relative Feldamplitude und eine Gesamtintensität, insbesondere des ersten Lichtstrahls und/oder des weiteren Lichtstrahls genau so gewählt sein, dass Elektronen mit dem ersten Lichtstrahl vom Fermi-Niveau entkoppelt und in dem Bildladungszustand gespeichert werden. Insbesondere wird der Elektronenstrahl und/oder Elektronenpuls aufgrund einer Mehr-Photonen-Absorption bzw. Mehr-Photonen-Anregung verursacht. Vorzugsweise wird die Mehr-Photonen-Absorption mittels des weiteren Lichtstrahls mit Wirkung auf die Elektronen im Bildladungszustand verursacht. Eine Auslösung eines Elektrons aus dem Bildladungszustand kann eine Absorption von bis zu 10 Photonen benötigen. Insbesondere ist eine Absorption von weniger als 15 Photonen zum Auslösen eines Elektrons aus dem Bildladungszustand notwendig.Preferably, the electrons are triggered by the further light beam from the image charge state for generating the electron beam and / or the electron pulse. Thus, the electrons can be released from the intermediate state by means of the further light beam and released as electron beam and / or electron pulse. Preferably, the irradiation of the metallic structure with the further light beam takes place temporally after the irradiation of the metallic structure with the first light beam. In this case, the time interval between the first light beam and the further light beam can be predetermined. Preferably, the time interval is less than 100 fs. In particular, the irradiation with the further light beam takes place within 100 fs after the termination of the irradiation with the first light beam. Preferably, the electrons remain in the charged state after completion of irradiation with the first light beam for a period of up to 100 fs. Thus, the metallic structure can be irradiated with the first light beam and a temporally delayed further light beam. In particular, the metallic structure is irradiated with a sequence of a first light pulse and a further light pulse. In this case, the first light beam and the second light beam can be emitted successively in time to the metallic structure or at least partially overlap spatially and / or temporally when irradiating the metallic structure. A field strength of the first light beam and / or of the further light beam can be adjusted such that the single first light beam or further light beam leads to a negligible electron emission, while the irradiation of the metallic structure with both light beams in the desired emission of photoelectrons for generating the electron beam and / or electron pulse results. In particular, a field strength in the range of a few V / nm, in particular in the range of 1 V / nm to 20 V / nm, is set for the first light beam and / or the further light beam. Preferably, a relative field amplitude and a total intensity, in particular of the first light beam and / or the further light beam must be chosen exactly so that electrons are decoupled with the first light beam from the Fermi level and stored in the image charge state. In particular, the electron beam and / or electron pulse is caused due to multi-photon absorption or multi-photon excitation. Preferably, the multi-photon absorption by the further light beam is caused with effect on the electrons in the image charge state. A trigger An electron from the image charge state may require absorption of up to 10 photons. In particular, absorption of less than 15 photons to trigger an electron from the image charge state is necessary.

Vorzugsweise verursacht der weitere Lichtstrahl eine Starkfeld-Photoemission. Insbesondere wird mittels des weiteren Lichtstrahls ein elektrisches Feld im Bereich der metallischen Struktur erzeugt, wobei sich aufgrund der verjüngenden Gestalt der metallischen Struktur und/oder der Nanospitze eine Feldüberhöhung ergibt. Aufgrund der sich verjüngenden metallischen Struktur, insbesondere der Nanospitze, kann die eingestrahlte Feldstärke des weiteren Lichtstrahls und der verursachten geometrischen Einschnürung der Feldlinien zusätzlich verstärkt und/oder überhöht werden. Hierdurch kann eine niedrigere Leistung der Lichtquelle für den weiteren Lichtstrahl, insbesondere eine niedrigere Laserleistung, verwendet werden. Somit können ohne Überschreitung einer Zerstörschwelle des Materials Starkfeldeffekte, insbesondere wie bei einer Above-Threshold-Ionisation, auf Festkörper übertragen werden. Somit kann mittels der Einstrahlung des weiteren Lichtstrahls eine Above-Threshold-Ionisation oder mindestens ein vergleichbarer Vorgang verursacht werden. Insbesondere prägt eine Starkfeld-Wechselwirkung mit dem in der Zeit periodischen, an der metallischen Struktur, insbesondere der Nanospitze, stark überhöhten elektrischen Feld des weiteren Lichtstrahls den Elektronen eine Kamm-ähnliche und/oder stufenartige Energie und/oder Phase auf. Die Phase der elektronischen Wellenfunktion kann durch den Zeitabstand zwischen dem ersten Lichtstrahl und dem weiteren Lichtstrahl sowie durch das Spektrum und/oder die spektrale Phase des ersten Lichtstrahls und/oder des weiteren Lichtstrahls kontrolliert werden. In Bezug auf die Zeit, insbesondere eine Zeitdomäne, kann hierdurch nach einer bestimmten Propagationsdistanz eine Folge aus Elektronenpulsen entstehen. Insbesondere weist ein einzelner Elektronenpuls eine Dauer im Bereich von weniger als 10 fs und/oder im Attosekundenbereich auf. Ein entsprechend erzeugter Elektronenstrahl und/oder Elektronenpuls kann mit einer Probe wechselwirken.Preferably, the further light beam causes strong field photoemission. In particular, an electric field is generated in the region of the metallic structure by means of the further light beam, resulting in a field increase due to the tapered shape of the metallic structure and / or the nanotip. Due to the tapered metallic structure, in particular the nanotip, the irradiated field strength of the further light beam and the geometric constriction caused by the field lines can be additionally amplified and / or increased. In this way, a lower power of the light source for the further light beam, in particular a lower laser power, can be used. Thus, without exceeding a damage threshold of the material, strong field effects, in particular as in an above-threshold ionization, can be transferred to solids. Thus, by means of the irradiation of the further light beam, an above-threshold ionization or at least one comparable process can be caused. In particular, a strong field interaction with the periodic, on the metallic structure, in particular the nano tip, greatly inflated electric field of the further light beam to the electrons a comb-like and / or step-like energy and / or phase. The phase of the electronic wave function can be controlled by the time interval between the first light beam and the further light beam and by the spectrum and / or the spectral phase of the first light beam and / or the further light beam. In terms of time, in particular a time domain, this can result in a sequence of electron pulses after a certain propagation distance. In particular, a single electron pulse has a duration in the range of less than 10 fs and / or in the attosecond region. A correspondingly generated electron beam and / or electron pulse can interact with a sample.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird als erster Lichtstrahl und/oder als weiterer Lichtstrahl ein Lichtpuls mit einer Zeitdauer und/oder vollen Halbwertszeit von weniger als 100 fs, weniger als 50 fs oder weniger als 20 fs verwendet. Besonders bevorzugt liegt die Zeitdauer und/oder volle Halbwertszeit des ersten Lichtpulses und/oder des weiteren Lichtpulses im Bereich von 15 fs, 10 fs oder weniger. Aufgrund einer Folge von mehreren ersten Lichtstrahlen und mehreren weiteren Lichtstrahlen, insbesondere ersten Lichtpulsen und weiteren Lichtpulsen, kann eine Folge von mehreren einzelnen Elektronenstrahlen und/oder Elektronenpulsen erzeugt werden. Vorzugsweise hat ein einzelner Elektronenstrahl und/oder Elektronenpuls eine Zeitdauer und/oder volle Halbwertszeit von weniger als 100 fs, insbesondere weniger als 50 fs. Besonders bevorzugt beträgt die Zeitdauer und/oder volle Halbwertszeit eines einzelnen Elektronenstrahls und/oder Elektronenpulses weniger als 10 fs. Insbesondere liegt die Zeitdauer und/oder volle Halbwertszeit eines einzelnen Elektronenstrahls und/oder eines einzelnen Elektronenpulses im Bereich von 5 fs, 500 Attosekunden oder 400 Attosekunden. Die Zeitdauer und/oder volle Halbwertszeit des Elektronenstrahls und/oder Elektronenpulses kann durch die Zeitdauer und/oder volle Halbwertszeit des weiteren Lichtstrahls bzw. Lichtpulses beeinflusst werden.According to a further embodiment, a light pulse having a time duration and / or full half-life of less than 100 fs, less than 50 fs or less than 20 fs is used as first light beam and / or as further light beam. Particularly preferably, the time duration and / or full half-life of the first light pulse and / or the further light pulse is in the range of 15 fs, 10 fs or less. Due to a sequence of a plurality of first light beams and a plurality of further light beams, in particular first light pulses and further light pulses, a series of a plurality of individual electron beams and / or electron pulses can be generated. Preferably, a single electron beam and / or electron pulse has a time duration and / or full half-life of less than 100 fs, in particular less than 50 fs. Particularly preferably, the time duration and / or full half-life of a single electron beam and / or electron pulse is less than 10 fs. In particular, the time duration and / or full half-life of a single electron beam and / or a single electron pulse is in the range of 5 fs, 500 attoseconds or 400 attoseconds. The time duration and / or full half-life of the electron beam and / or electron pulse can be influenced by the time duration and / or full half-life of the further light beam or light pulse.

Gemäß einer Weiterbildung wird die Nanospitze mit dem ersten Lichtstrahl und/oder dem weiteren Lichtstrahl bestrahlt. Alternativ kann ein von der Nanospitze beabstandetes Koppelelement der metallischen Struktur mit dem ersten Lichtstrahl und/oder dem weiteren Lichtstrahl bestrahlt werden. Vorzugsweise wird der erste Lichtstrahl und/oder der weitere Lichtstrahl auf die metallische Struktur, das Koppelelement und/oder die Nanospitze fokussiert. Das Verfahren kann mittels direkter Beleuchtung der Nanospitze und/oder mittels einer Anregung über das Koppelelement erfolgen bzw. durchgeführt werden.According to a development, the nanotip is irradiated with the first light beam and / or the further light beam. Alternatively, a coupling element of the metallic structure spaced from the nano-tip can be irradiated with the first light beam and / or the further light beam. Preferably, the first light beam and / or the further light beam is focused on the metallic structure, the coupling element and / or the nanotip. The method can be carried out or carried out by means of direct illumination of the nanotip and / or by means of excitation via the coupling element.

Vorzugweise wird der erste Lichtstrahl und/oder der weitere Lichtstrahl auf einen Fokusdurchmesser fokussiert, der zumindest im Wesentlichen den Ausmaßen und/oder der Fläche der metallischen Struktur, eines Koppelelementes und/oder der Nanospitze entspricht. Hierbei kann die Fokussierung mittels einer Linse, einem Linsensystem und/oder einer Reflexionsoptik erfolgen. Insbesondere ist das erste Lasersystem und/oder das weitere Lasersystem zum Fokussieren des ersten Lichtstrahls und/oder des weiteren Lichtstrahls ausgebildet. Aufgrund der Fokussierung sind Energieverluste bei der Umwandlung des ersten Lichtstrahls und/oder des weiteren Lichtstrahls, insbesondere in ein Plasmon, reduzierbar. Dies ermöglicht den Einsatz einer Lichtquelle, insbesondere eines Lasers, mit einer geringeren Leistung. Vorzugsweise erfolgt die Fokussierung und/oder Justierung des ersten Lichtstrahls, des weiteren Lichtstrahls, des Fokusdurchmessers und/oder der Lichtquelle in Bezug zu einer Mittelachse der metallischen Struktur. Insbesondere erfolgt die Einstrahlung des ersten Lichtstrahls und/oder des weiteren Lichtstrahls auf die metallische Struktur schräg zur Oberfläche der metallischen Struktur, des Koppelelementes und/oder der Nanospitze. Vorzugsweise erfolgt die Einstrahlung des ersten Lichtstrahls und/oder des weiteren Lichtstrahls mit einem Einfallswinkel zur Oberfläche, der dem halben Öffnungswinkel der metallischen Struktur und/oder der Nanospitze entspricht.Preferably, the first light beam and / or the further light beam is focused on a focus diameter that at least substantially corresponds to the dimensions and / or the surface of the metallic structure, a coupling element and / or the nanotip. Here, the focusing can be done by means of a lens, a lens system and / or a reflection optics. In particular, the first laser system and / or the further laser system is designed to focus the first light beam and / or the further light beam. Due to the focusing, energy losses during the conversion of the first light beam and / or the further light beam, in particular into a plasmon, can be reduced. This allows the use of a light source, in particular a laser, with a lower power. Preferably, the focusing and / or adjustment of the first light beam, the further light beam, the focus diameter and / or the light source with respect to a central axis of the metallic structure. In particular, the irradiation of the first light beam and / or of the further light beam onto the metallic structure takes place at an angle to the surface of the metallic structure, the coupling element and / or the nanotip. The irradiation of the first light beam and / or of the further light beam preferably takes place with an angle of incidence to the surface which corresponds to half the opening angle of the metallic structure and / or the nanotip.

Zum Erzeugen eines Elektronenstrahls und/oder eines Elektronenpulses wird eine Spannung einer Spannungsquelle an die Kathode angelegt. Insbesondere wird eine Spannung der Spannungsquelle an die Kathode und an eine Anode zum Erzeugen eines elektrischen Feldes zwischen Kathode und Anode angelegt. Hierdurch kann die induzierte Elektronenemission erleichtert und/oder unterstützt werden. Nach der Auslösung und/oder Ablösung der Elektronen von der Nanospitze werden die abgelösten Elektronen in Richtung der Anode beschleunigt. Die somit freien und durch die angelegte Spannung von der Nanospitze weg beschleunigten Elektronen können für Untersuchungen von einer Probe verwendet werden. Mittels der angelegten Spannung werden der Kathode, der metallischen Struktur und/oder der Nanospitze hinreichend Elektronen für weitere Auslöse- und/oder Ablöseprozesse zum Erzeugen weiterer Elektronenstrahlen und/oder Elektronenpulse zugeführt. For generating an electron beam and / or an electron pulse, a voltage of a voltage source is applied to the cathode. In particular, a voltage of the voltage source is applied to the cathode and to an anode for generating an electric field between the cathode and the anode. As a result, the induced electron emission can be facilitated and / or supported. After the release and / or detachment of the electrons from the nanotip, the released electrons are accelerated in the direction of the anode. The electrons thus accelerated and accelerated away from the nanotip by the applied voltage can be used for investigations of a sample. By means of the applied voltage, sufficient electrons are supplied to the cathode, the metallic structure and / or the nanotip for further triggering and / or detaching processes for generating further electron beams and / or electron pulses.

Nach einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Elektronenquelle zum Erzeugen eines Elektronenstrahls und/oder Elektronenpulses, insbesondere mit einem erfindungsgemäßen Verfahren, ist die metallische Struktur und/oder die Nanospitze konusartig und/oder kegelartig ausgebildet. Insbesondere ist die metallische Struktur und/oder die Nanospitze konusförmig und/oder kegelförmig. Die metallische Struktur kann aus Gold, Silber, Wolfram oder Aluminium gebildet sein. Beispielsweise kann ein polykristalliner Golddraht, insbesondere mit einer feinen Kornstruktur, als Ausgangsmaterial eingesetzt werden. Die metallische Struktur und/oder die Nanospitze kann ein Öffnungswinkel im Bereich von 10° bis 40°, insbesondere im Bereich von 20° bis 30° aufweisen. Beispielsweise beträgt der Öffnungswinkel der metallischen Struktur und/oder der Nanospitze 22°. Aufgrund der konusartigen und/oder kegelartigen Gestalt der metallischen Struktur kann mindestens ein erzeugtes Plasmon zum Zusammenlaufen und/oder Fokussieren in der Nanospitze veranlasst werden. Somit kann die metallische Struktur, insbesondere die Nanospitze, zum Fokussieren von mindestens einem Plasmon ausgebildet sein. Hierbei kann ein aufgrund des ersten Lichtstrahls und/oder des weiteren Lichtstrahls erzeugtes Plasmon und/oder können mehrere erzeugte Plasmonen in eine nanometergroße Spitze und/oder ein Volumen im Nanometerbereich, nämlich die vorstehend genannte Nanospitze, hinein laufen und fokussiert werden. Insbesondere wird ein Plasmon oder werden mehrere Plasmonen beim Fokussieren in Richtung der Nanospitze räumlich zusammengezogen. Aufgrund der Fokussierung des mindestens einem Plasmons im Bereich der Nanospitze kann ein elektrisches Feld im Bereich der Nanospitze verstärkt und/oder überhöht werden, wodurch Elektronen in den Bildladungszustand überführt und/oder aus der Nanospitze ausgelöst bzw. abgelöst werden können. Aufgrund einer Verbindung der metallischen Struktur als Kathode mit einer Spannungsquelle können Elektronen nachgeliefert werden. Insbesondere ist eine Anode vorgesehen, die ebenfalls mit der Spannungsquelle verbunden sein kann.According to a development of the electron source according to the invention for generating an electron beam and / or electron pulse, in particular with a method according to the invention, the metallic structure and / or the nanotip is cone-shaped and / or cone-shaped. In particular, the metallic structure and / or the nano-tip is conical and / or conical. The metallic structure may be formed of gold, silver, tungsten or aluminum. For example, a polycrystalline gold wire, in particular having a fine grain structure, can be used as the starting material. The metallic structure and / or the nano-tip may have an opening angle in the range of 10 ° to 40 °, in particular in the range of 20 ° to 30 °. For example, the opening angle of the metallic structure and / or the nano-tip is 22 °. Due to the cone-like and / or conical shape of the metallic structure, at least one generated plasmon may be caused to converge and / or focus in the nano-tip. Thus, the metallic structure, in particular the nanotip, can be designed to focus at least one plasmon. In this case, a plasmon generated on the basis of the first light beam and / or of the further light beam and / or several generated plasmons can run into and be focused into a nanometer-sized tip and / or a volume in the nanometer range, namely the aforementioned nanotip. In particular, a plasmon or several plasmons are contracted spatially when focusing in the direction of the nanotip. Due to the focusing of the at least one plasmon in the region of the nanotip, an electric field in the region of the nanotip can be amplified and / or increased, whereby electrons can be transferred to the image charge state and / or triggered or detached from the nanotip. Due to a compound of the metallic structure as a cathode with a voltage source, electrons can be replenished. In particular, an anode is provided, which may also be connected to the voltage source.

Bei dem mindestens einen Plasmon kann es sich um ein Oberflächenplasmon handeln. Insbesondere wird Energie aus einer elektromagnetischen Welle des ersten Lichtstrahls und/oder des weiteren Lichtstrahls in mindestens ein an die metallische Struktur gebundenes Oberflächenplasmon-Polariton übertragen. Es können, insbesondere mittels eines Lichtpulses, mehrere Plasmonen, Oberflächenplasmonen und/oder Oberflächeplasmon-Polartionen an der metallischen Struktur, insbesondere einem Koppelelement, angeregt werden und/oder im Bereich der Nanospitze fokussiert werden.The at least one plasmon may be a surface plasmon. In particular, energy is transferred from an electromagnetic wave of the first light beam and / or the further light beam into at least one surface plasmon polariton bonded to the metallic structure. In particular, by means of a light pulse, a plurality of plasmons, surface plasmons and / or surface plasmon polar ions can be excited on the metallic structure, in particular a coupling element, and / or focused in the area of the nanotip.

Vorzugsweise ist die metallische Struktur, die Nanospitze und/oder mindestens ein Bereich der metallischen Struktur von dem Koppelelement bis zu der Nanospitze frei von Verunreinigungen und/oder frei von Korngrenzen. Insbesondere ist der Bereich des Koppelementes und/oder der Bereich einschließlich des Koppelelementes bis einschließlich der Nanospitze frei von Materialverunreinigungen und/oder frei von Korngrenzen. Hierdurch sind unerwünschte Störeffekte bei der Fokussierung der Plasmonen und/oder Feldstärken in Richtung der Nanospitze vermeidbar. Insbesondere ist ein unerwünschtes Ablösen von Elektronen in einem Bereich außerhalb der Nanospitze, insbesondere im Bereich des Koppelelementes und/oder in einem Bereich zwischen dem Koppelelement und der Nanospitze, vermeidbar.Preferably, the metallic structure, the nano-tip and / or at least a portion of the metallic structure from the coupling element to the nano-tip is free of impurities and / or free of grain boundaries. In particular, the region of the coupling element and / or the region including the coupling element up to and including the nano-tip is free of material contamination and / or free of grain boundaries. As a result, unwanted interference effects in the focusing of the plasmons and / or field strengths in the direction of the nano tip can be avoided. In particular, unwanted detachment of electrons in an area outside the nanotip, in particular in the region of the coupling element and / or in a region between the coupling element and the nanotip, can be avoided.

Insbesondere hat die Nanospitze ein Volumen im Nanometerbereich, insbesondere von etwa 10 nm3. Die Nanospitze kann alternativ als Apex bezeichnet werden. Die Nanospitze kann einen Spitzenradius kleiner als 20 nm, insbesondere kleiner als 15 nm oder kleiner als 12 nm aufweisen. Insbesondere liegt der Spitzenradius der Nanospitze in einem Bereich von 5 nm bis 12 nm.In particular, the nanosphere has a volume in the nanometer range, in particular of about 10 nm 3 . The nano tip may alternatively be referred to as apex. The nano tip may have a tip radius of less than 20 nm, in particular less than 15 nm or less than 12 nm. In particular, the tip radius of the nano tip is in a range of 5 nm to 12 nm.

Nach einer weiteren Ausführungsform hat das erste Lasersystem und/oder das weitere Lasersystem einen Femtosekundenlaser als eine Lichtquelle für den ersten Lichtstrahl und/oder den weiteren Lichtstrahl. Somit kann eine Folge des ersten Lichtstrahls und des weiteren Lichtstrahls, insbesondere eines ersten Laserpulses und eines weiteren Laserpulses, mittels eines geeigneten Femtosekundenlasers erzeugt werden. Das erste Lasersystem und das weitere Lasersystem können eine gemeinsame oder identische Lichtquelle, insbesondere Laserlichtquelle, aufweisen. Insbesondere weist das erste Lasersystem einen ersten optischen Pfad und das weitere Lasersystem einen weiteren optischen Pfad auf. Vorzugsweise sind der erste optische Pfad und der weitere optische Pfad mindestens teilweise voneinander getrennt ausgebildet. Mittels des ersten optischen Pfades und des weiteren optischen Pfades kann die Weglänge des ersten Lichtstrahls bzw. des weiteren Lichtstrahls kontrolliert und/oder eingestellt werden. Insbesondere können der erste Lichtstrahl und der weitere Lichtstrahl bei einer gemeinsamen Lichtquelle mittels des ersten optischen Pfades und des weiteren optischen Pfades voneinander getrennt werden. Zudem können der erste Lichtstrahl und der weitere Lichtstrahl mittels der beiden Pfade hinsichtlich ihrer optischen Eigenschaften, insbesondere unabhängig voneinander, eingestellt und/oder manipuliert werden. Vorzugsweise sind der erste optische Pfad und der weitere optische Pfad derart ausgebildet, dass sich der erste Lichtstrahl und der weitere Lichtstrahl an der metallischen Struktur, der Nanospitze und/oder dem Koppelelement räumlich überlagern. Die Lichtquelle für den ersten Lichtstrahl und/oder den weiteren Lichtstrahl, das erste Lasersystem und/oder das weitere Lasersystem können derart ausgebildet sein, dass phasenstabilisierte Wenig-Zyklen-Laserpulse mit mindestens zwei unterschiedlichen Zentralwellenlängen und/oder Pulsdauern, insbesondere im Bereich von 10 Femtosekunden, erzeugbar sind.According to a further embodiment, the first laser system and / or the further laser system has a femtosecond laser as a light source for the first light beam and / or the further light beam. Thus, a sequence of the first light beam and the further light beam, in particular a first laser pulse and a further laser pulse, can be generated by means of a suitable femtosecond laser. The first laser system and the further laser system can have a common or identical light source, in particular a laser light source. In particular, the first laser system has a first optical path and the further laser system has a further optical path. Preferably, the first optical path and the further optical path are at least partially formed separated from each other. By means of the first optical path and the further optical path, the path length of the first light beam or of the further light beam can be controlled and / or adjusted. In particular, the first light beam and the further light beam at a common light source by means of the first optical path and the further optical path can be separated from each other. In addition, the first light beam and the further light beam can be set and / or manipulated by means of the two paths with regard to their optical properties, in particular independently of each other. Preferably, the first optical path and the further optical path are formed such that the first light beam and the further light beam are spatially superimposed on the metallic structure, the nanotip and / or the coupling element. The light source for the first light beam and / or the further light beam, the first laser system and / or the further laser system can be designed such that phase-stabilized, few-cycle laser pulses having at least two different central wavelengths and / or pulse durations, in particular in the range of 10 femtoseconds , are producible.

Die metallische Struktur kann beabstandet von der Nanospitze mindestens ein Koppelelement zum Anregen mindestens eines Plasmons mittels des ersten Lichtstrahls und/oder des weiteren Lichtstrahls aufweisen. Ein erstes Koppelelement kann für den ersten Lichtstrahl und ein weiteres Koppelelement für den weiteren Lichtstrahl vorhanden sein. Hierbei kann sich die Ausbildung und/oder Position des ersten Koppelelementes von der Ausbildung und/oder Position des weiteren Koppelelementes unterscheiden. Aufgrund des von der Nanospitze beabstandeten Koppelelementes kann eine direkte Beleuchtung der Elektronenquelle, insbesondere der Nanospitze, vermieden werden. Somit kann eine seitlich, insbesondere beliebig weit, ausgedehnte Probe, vorzugsweise beliebig, dicht an die Elektronenquelle, insbesondere die Nanospitze, herangebracht werden. Linsensysteme, insbesondere elektrostatische Linsensysteme, können kompakter um die Elektronenquelle, insbesondere die Nanospitze, herumgebaut werden. Hierdurch sind besonders kurze Pulsdauern der Elektronenpulse auf eine Probe realisierbar. Eine Erwärmung der Elektronenquelle, insbesondere der Nanospitze, ist erheblich reduzierbar. Insbesondere ergibt sich eine Erwärmung der Elektronenquelle und/oder der Nanospitze lediglich aufgrund der Absorption eines Plasmons und/oder mehrerer Plasmonen. Somit kann sich allenfalls ein lediglich geringer Energieeintrag bzw. eine lediglich geringe Erwärmung ergeben.The metallic structure may have, spaced from the nanotip, at least one coupling element for exciting at least one plasmone by means of the first light beam and / or the further light beam. A first coupling element may be present for the first light beam and a further coupling element for the further light beam. Here, the training and / or position of the first coupling element may differ from the training and / or position of the further coupling element. Due to the coupling element spaced from the nano-tip, direct illumination of the electron source, in particular the nano-tip, can be avoided. Thus, a laterally, in particular arbitrarily far, extended sample, preferably as desired, can be brought close to the electron source, in particular the nanotip. Lens systems, in particular electrostatic lens systems, can be constructed more compactly around the electron source, in particular the nanotip. As a result, particularly short pulse durations of the electron pulses can be realized on a sample. A heating of the electron source, in particular the nanotip, is considerably reduced. In particular, heating of the electron source and / or the nanotip results merely from the absorption of a plasmone and / or several plasmons. Thus, at most, only a small input of energy or only a slight warming result.

Des Weiteren kann die Verwendung eines von der Nanospitze beabstandeten Koppelelementes eine stärkere Fokussierung der elektromagnetischen Welle des ersten Lichtstrahls und/oder des weiteren Lichtstrahls ermöglichen. Hierdurch kann eine geringere Leistung bei einer Lichtquelle für den ersten Lichtstrahl und/oder den weiteren Lichtstrahl gewählt werden als bei einer direkten Beleuchtung der Elektronenquelle, insbesondere der Nanospitze. Insbesondere wird aufgrund des von der Nanospitze beabstandeten Koppelelementes und der Fokussierung des mindestens einen Plasmons ein Missverhältnis zwischen der Größe der Beleuchtung des Koppelelementes und der Größe des Emissionspunktes für die Elektronen erheblich reduziert oder aufgehoben.Furthermore, the use of a coupling element spaced from the nano-tip may allow a stronger focusing of the electromagnetic wave of the first light beam and / or of the further light beam. In this way, a lower power at a light source for the first light beam and / or the further light beam can be selected as in a direct illumination of the electron source, in particular the nanotip. In particular, a mismatch between the size of the illumination of the coupling element and the size of the emission point for the electrons is significantly reduced or eliminated due to the distance from the nanoclip coupling element and the focusing of the at least one plasmone.

Insbesondere ist das Koppelelement als ein Gitterkoppler ausgebildet. Mittels des Koppelelementes kann aufgrund einer eintreffenden elektromagnetischen Welle des ersten Lichtstrahls und/oder des weiteren Lichtstrahls mindestens ein Plasmon auf der Oberfläche der metallischen Struktur angeregt werden. Der Gitterkoppler kann bis zu 15 Gitterlinien oder mehr aufweisen. Vorzugsweise ist die Anzahl der Gitterlinien nicht beschränkt und kann beliebig gewählt werden. Insbesondere hat der Gitterkoppler 7 Gitterlinien. Die Gitterlinien können eine Breite im Bereich von 100 nm bis 1.000 nm und/oder eine Tiefe im Bereich von 200 nm bis 600 nm aufweisen. Insbesondere sind die Gitterlinien 800 nm breit und 400 nm tief. Vorzugsweise hat der Gitterkoppler eine Gitterkonstante im Bereich von 1.200 nm bis 3.000 nm, insbesondere im Bereich von 1.500 nm bis 2.500 nm. Besonders bevorzugt hat der Gitterkoppler eine Gitterkonstante von 1.600 nm oder 2.000 nm. Die Gitterkonstante kann der Wellenlänge der auf das Koppelelement eingestrahlten elektromagnetischen Welle des ersten Lichtstrahls und/oder des weiteren Lichtstrahls entsprechen.In particular, the coupling element is designed as a grating coupler. By means of the coupling element can be excited on the surface of the metallic structure due to an incoming electromagnetic wave of the first light beam and / or the further light beam at least one plasmon. The grating coupler can have up to 15 grids or more. Preferably, the number of grid lines is not limited and can be arbitrarily selected. In particular, the grating coupler has 7 grid lines. The grid lines may have a width in the range of 100 nm to 1,000 nm and / or a depth in the range of 200 nm to 600 nm. In particular, the grating lines are 800 nm wide and 400 nm deep. The grating coupler preferably has a lattice constant in the range from 1200 nm to 3000 nm, in particular in the range from 1500 nm to 2500 nm. More preferably, the grating coupler has a lattice constant of 1600 nm or 2000 nm. The lattice constant can be the wavelength of the electromagnetic radiation radiated onto the coupling element Wave of the first light beam and / or the other light beam correspond.

Vorzugsweise ist der Abstand des Koppelementes von der Nanospitze größer als ein Fokusdurchmesser des ersten Lichtstrahls und/oder des weiteren Lichtstrahls zum Bestrahlen des Koppelelementes. Der Abstand zwischen dem Koppelelement und der Nanospitze kann größer als 10 μm oder größer als 20 μm sein. Vorzugsweise liegt der Abstand zwischen dem Koppelelement und der Nanospitze im Bereich von 10 μm bis 200 μm. Besonders bevorzugt beträgt der Abstand zwischen dem Koppelelement und der Nanospitze 50 μm. Insbesondere ist der Abstand zwischen dem Koppelelement und der Nanospitze derart gewählt, dass bei einer Beleuchtung und/oder Bestrahlung des Koppelelementes eine gleichzeitige Beleuchtung und/oder Bestrahlung der Nanospitze vermieden ist. Insbesondere ist der Abstand des Koppelementes von der Nanospitze derart gewählt, dass dieser Abstand geringer ist als eine mittlere Propagationslänge der mittels der elektromagnetischen Welle des ersten Lichtstrahls und/oder des weiteren Lichtstrahls erzeugten Plasmonen. Beispielsweise bei einer Wellenlänge von 1.600 nm der am Koppelelement eintreffenden elektromagnetischen Welle beträgt die mittlere Propagationslänge der hierdurch erzeugten Plasmonen etwa 100 μm. Somit ist beispielsweise bei einem Abstand des Koppelelements von der Nanospitze von etwa 50 μm gewährleistbar, dass die Plasmonen die Nanospitze erreichen.Preferably, the distance of the coupling element from the nanotip is greater than a focus diameter of the first light beam and / or the further light beam for irradiating the coupling element. The distance between the coupling element and the nanotip may be greater than 10 microns or greater than 20 microns. Preferably, the distance between the coupling element and the nano tip is in the range of 10 .mu.m to 200 .mu.m. Particularly preferably, the distance between the coupling element and the nano tip is 50 microns. In particular, the distance between the coupling element and the nano tip is selected such that a simultaneous illumination and / or irradiation of the nano tip is avoided when the coupling element is illuminated and / or irradiated. In particular, the distance of the coupling element from the nanotip is selected such that this distance is less than an average propagation length of the plasmons generated by means of the electromagnetic wave of the first light beam and / or of the further light beam. For example, at a wavelength of 1,600 nm arriving at the coupling element electromagnetic wave is the average propagation length of the plasmons generated thereby about 100 microns. Thus, for example, at a distance of the coupling element of the nanotip of about 50 microns can be ensured that the plasmon reach the nanotip.

Vorzugsweise ist die metallische Struktur innerhalb einer Vakuumkammer angeordnet. Hierdurch kann eine Beschädigung und/oder Zerstörung der Elektronenquelle, insbesondere aufgrund einer Ionisation der ansonsten vorhandenen Gase, vermieden werden. Eine Lichtquelle, insbesondere ein Laser und/oder eine Laserlichtquelle, zum Bestrahlen der metallischen Struktur, der Nanospitze und/oder des Koppelementes kann innerhalb oder außerhalb der Vakuumkammer angeordnet sein. Vorzugsweise ist die Lichtquelle außerhalb der Vakuumkammer angeordnet. Die elektromagnetische Welle bzw. der erste Lichtstrahl und/oder der weitere Lichtstrahl kann der metallischen Struktur, der Nanospitze und/oder dem Koppelelement durch ein Fensterelement, das insbesondere der Vakuumkammer zugeordnet ist, zugeführt werden. Der erste Lichtstrahl und der weitere Lichtstrahl können durch ein einziges, gemeinsames Fensterelement in die Vakuumkammer geführt werden. Alternativ kann ein erstes Fensterelement für den ersten Lichtstrahl und ein von dem ersten Fensterelement verschiedenes weiteres Fensterelement für den weiteren Lichtstrahl vorhanden sein. Das Fensterelement kann in einer Wand der Vakuumkammer angeordnet sein. Des Weiteren kann eine Linse, ein Linsensystem und/oder eine Reflexionsoptik vorgesehen sein. Die Linse, das Linsensystem und/oder die Reflexionsoptik kann innerhalb oder außerhalb der Vakuumkammer angeordnet sein. Die Linse, das Linsensystem und/oder die Reflexionsoptik ist zwischen der Lichtquelle und dem Koppelement positioniert. Insbesondere weist ein erster optischer Pfad und ein weiterer optischer Pfad jeweils eine zugehörige Linse, ein Linsensystem und/oder einen Reflexionsoptik auf. Insbesondere dient die Linse, das Linsensystem und/oder die Reflexionsoptik zum Fokussieren des ersten Lichtstrahls und/oder des weiteren Lichtstrahls auf die Fläche der metallischen Struktur, der Nanospitze und/oder des Koppelelementes. Vorzugsweise erfolgt die Fokussierung des ersten Lichtstrahls und/oder des weiteren Lichtstrahls derart, dass das Licht und/oder die zugehörige elektromagnetische Welle im Wesentlichen vollständig auf die metallische Struktur, die Nanospitze und/oder das Koppelelement trifft.Preferably, the metallic structure is disposed within a vacuum chamber. As a result, damage and / or destruction of the electron source, in particular due to ionization of the otherwise existing gases, can be avoided. A light source, in particular a laser and / or a laser light source, for irradiating the metallic structure, the nanotip and / or the coupling element can be arranged inside or outside the vacuum chamber. Preferably, the light source is arranged outside the vacuum chamber. The electromagnetic wave or the first light beam and / or the further light beam can be supplied to the metallic structure, the nanotip and / or the coupling element by a window element, which is associated in particular with the vacuum chamber. The first light beam and the further light beam can be guided through a single, common window element in the vacuum chamber. Alternatively, a first window element for the first light beam and a further window element different from the first window element for the further light beam may be present. The window element can be arranged in a wall of the vacuum chamber. Furthermore, a lens, a lens system and / or a reflection optics may be provided. The lens, the lens system and / or the reflection optics can be arranged inside or outside the vacuum chamber. The lens, the lens system and / or the reflection optics is positioned between the light source and the coupling element. In particular, a first optical path and a further optical path each have an associated lens, a lens system and / or a reflection optical system. In particular, the lens, the lens system and / or the reflection optics serve for focusing the first light beam and / or the further light beam onto the surface of the metallic structure, the nanotip and / or the coupling element. Preferably, the focusing of the first light beam and / or the further light beam is such that the light and / or the associated electromagnetic wave substantially completely hits the metallic structure, the nanotip and / or the coupling element.

Nach einer weiteren Ausführungsform ist ein Detektorsystem zum Detektieren von Elektronen vorgesehen. Mittels des Detektorsystems können die eine Probe abbildenden Elektronen erfasst werden. Insbesondere lässt sich mittels des Detektorsystems eine räumliche Position eines Elektrons bei einem Auftreffen auf das Detektorsystem bestimmen. Vorzugsweise weist das Detektorsystem eine Erfassungseinrichtung zum Bestimmen einer kinetischen Energie der Elektronen auf. Somit kann mittels der Erfassungseinrichtung die kinetische Energie der Elektronen beim Auftreffen auf das Detektorsystem erfasst werden. Insbesondere ermöglicht das Detektorsystem sowohl eine Untersuchung und/oder Bestimmung des Ortes als auch einer kinetischen Energie und/oder Geschwindigkeit der erfassten Elektronen. Die Erfassungseinrichtung kann einen Delay-Line-Detektor aufweisen. Insbesondere ist die Erfassungseinrichtung als ein Delay-Line-Detektor ausgebildet. Die Erfassungseinrichtung und/oder der Delay-Line-Detektor kann in Kombination mit mindestens einer Mikrokanalplatte angeordnet sein. Die Verwendung von einer oder mehreren Mikrokanalplatten, insbesondere mit schräg zur Plattenebene verlaufenden Kanälen, ist aus üblichen Detektorsystemen bekannt. Bei üblichen Detektorsystemen werden derartige Mikrokanalplatten in Kombination mit einem Phosphorschirm benutzt. Hierbei dient der Phosphorschirm zur Darstellung der auftreffenden Elektronen bzw. der entstehenden Elektronenflecken. Anstelle des Phosphorschirms kann ein Delay-Line-Detektor vorhanden sein.According to another embodiment, a detector system for detecting electrons is provided. By means of the detector system, the electrons imaging a sample can be detected. In particular, it is possible by means of the detector system to determine a spatial position of an electron when hitting the detector system. The detector system preferably has a detection device for determining a kinetic energy of the electrons. Thus, by means of the detection device, the kinetic energy of the electrons can be detected when hitting the detector system. In particular, the detector system allows both an investigation and / or determination of the location as well as a kinetic energy and / or velocity of the detected electrons. The detection device may comprise a delay line detector. In particular, the detection device is designed as a delay line detector. The detection device and / or the delay line detector can be arranged in combination with at least one microchannel plate. The use of one or more microchannel plates, in particular with channels running obliquely to the plane of the plate, is known from conventional detector systems. In conventional detector systems, such microchannel plates are used in combination with a phosphor screen. Here, the phosphor screen is used to represent the impinging electrons or the resulting electron spots. Instead of the phosphor screen, a delay line detector may be present.

Die Lebensdauer der Elektronenquelle, insbesondere der metallischen Struktur und/oder der Nanospitze, kann durch eine Verbesserung des Vakuums optimiert werden. Beispielsweise kann anstelle einer Turbo-Pumpe zum Erzeugen des Vakuums eine Ionengetterpumpe eingesetzt werden, wodurch das Vakuum verbessert wird. Des Weiteren ist von Vorteil, wenn die mechanische Stabilität des Aufbaus der Elektronenquelle, insbesondere eines Elektronenmikroskops, erhöht wird. Beispielsweise kann die mechanische Stabilität mittels einer kompakteren Bauweise erhöht werden. Die mechanische Stabilität im Bereich der Energiequelle und/oder der Probe kann erhöht werden, indem eine Fokussierung des ersten Lichtstrahls und/oder des weiteren Lichtstrahls außerhalb der Vakuumkammer vorgenommen wird. Insbesondere kann eine Linse, ein Linsensystem und/oder eine Reflexionsoptik außerhalb der Vakuumkammer angeordnet sein. Hierdurch kann die Zahl von Gegenständen innerhalb der Vakuumkammer minimiert werden. Beispielsweise kann die Zahl motorisierter Verfahrtische in der Vakuumkammer reduziert werden. Dies kann zudem auch zu einer Reduzierung der Kosten führen. Ebenfalls von Vorteil ist eine schwingungsgedämpfte Aufhängung der Elektronenquelle, insbesondere der metallischen Struktur und/oder Nanospitze. Zusätzlich oder alternativ kann auch die Probe schwingungsgedämpft aufgehängt sein. Aufgrund der schwingungsgedämpften Aufhängung können Vibrationen minimiert werden. Hierdurch kann die räumliche und/oder zeitliche Auflösung bei der Verwendung der Elektronenquelle in einem Elektronenmikroskop zur Untersuchung einer Probe verbessert werden. Schließlich kann die Elektronenquelle, die metallische Struktur und/oder die Nanospitze von einer Abschirmung, insbesondere aus magnetisch hoch permeablem Metall, umgeben sein. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um eine passive Abschirmung. Beispielsweise kann die Vakuumkammer aus einem entsprechenden Material gebildet sein. Aufgrund einer solchen Abschirmung kann eine Beeinflussung der Elektronen in ihrer Ausbreitung durch externe, insbesondere elektromagnetische, Felder reduziert oder verhindert werden. Beispielsweise kann ein sogenanntes Mu-Metall eingesetzt werden.The lifetime of the electron source, in particular the metallic structure and / or the nanotip, can be optimized by improving the vacuum. For example, instead of a turbo pump for generating the vacuum, an ion getter pump can be used, whereby the vacuum is improved. Furthermore, it is advantageous if the mechanical stability of the structure of the electron source, in particular of an electron microscope, is increased. For example, the mechanical stability can be increased by means of a more compact design. The mechanical stability in the region of the energy source and / or the sample can be increased by focusing the first light beam and / or the further light beam outside the vacuum chamber. In particular, a lens, a lens system and / or a reflection optics may be arranged outside the vacuum chamber. This can minimize the number of objects within the vacuum chamber. For example, the number of motorized traversing tables in the vacuum chamber can be reduced. This can also lead to a reduction of costs. Another advantage is a vibration-damped suspension of the electron source, in particular the metallic structure and / or nanotip. Additionally or alternatively, the sample may be suspended vibration damped. Due to the vibration-damped suspension vibrations can be minimized. Thereby, the spatial and / or temporal resolution in the use of the electron source in an electron microscope for examining a sample can be improved. After all For example, the electron source, the metallic structure and / or the nanotip may be surrounded by a shield, in particular of magnetically highly permeable metal. This is preferably a passive shield. For example, the vacuum chamber may be formed of a corresponding material. Due to such a shield, an influence of the electrons in their propagation by external, in particular electromagnetic, fields can be reduced or prevented. For example, a so-called Mu metal can be used.

Ein Elektron kann an der Nanospitze aufgrund einer Mehr-Photonen-Anregung abgelöst und/oder ausgelöst werden. Insbesondere ist ein unerwünschtes Ablösen und/oder Auslösen von Elektronen aufgrund einer beispielsweise Ein-Photonen-Anregung im Bereich der metallischen Struktur und außerhalb der Nanospitze vermieden. Der Lichtpuls, der erste Lichtstrahl und/oder der weitere Lichtstrahl kann eine Energie von weniger als 50 Pikojoule aufweisen.An electron can be detached and / or triggered at the nanotip due to a multi-photon excitation. In particular, an undesired detachment and / or release of electrons due to, for example, one-photon excitation in the region of the metallic structure and outside the nanotip is avoided. The light pulse, the first light beam and / or the further light beam may have an energy of less than 50 picojoules.

Die metallische Struktur kann aus einem polykristallinen Material und/oder einem Draht, insbesondere einem Golddraht, hergestellt sein. Vorzugsweise wird das Material der metallischen Struktur in einer vorgegebenen Zeitdauer zum Auflösen von Korngrenzen erhitzt. Insbesondere wird das Material der metallischen Struktur auf eine Temperatur von mindestens 500 °Celsius oder 800° Celsius erhitzt. Das Material der metallischen Struktur kann in einer vorgegebenen Zeitdauer in einem erhitzten Zustand gehalten und/oder in einer vorgegebenen Zeitdauer auf Umgebungstemperatur abgekühlt werden. Die vorgegebene Zeitdauer kann mindestens 6 Stunden oder genau 8 Stunden betragen.The metallic structure may be made of a polycrystalline material and / or a wire, in particular a gold wire. Preferably, the material of the metallic structure is heated in a predetermined time to dissolve grain boundaries. In particular, the material of the metallic structure is heated to a temperature of at least 500 ° Celsius or 800 ° Celsius. The material of the metallic structure may be maintained in a heated state for a predetermined period of time and / or cooled to ambient temperature in a predetermined period of time. The predetermined time can be at least 6 hours or exactly 8 hours.

Somit kann das Material der metallischen Struktur und/oder der Nanospitze zunächst innerhalb von beispielsweise 8 Stunden auf eine Temperatur von 800° Celsius erhitzt werden. Anschließend kann das erhitzte Material für eine Dauer von weiteren 8 Stunden auf einer Temperatur von 800° Celsius gehalten werden. Daran anschließend kann das Material der metallischen Struktur und/oder der Nanospitze über eine Zeitdauer von 8 Stunden auf Umgebungstemperatur abgekühlt werden. Durch dieses Verfahren wird das Material entspannt. Insbesondere werden größere Kornstrukturen gebildet. Vorzugsweise ist die metallische Struktur und/oder die Nanospitze annähernd einkristallin ausbildbar. Insbesondere wird das Material der metallischen Struktur und/oder der Nanospitze zum Auflösen von Korngrenzen im Bereich der sich verjüngenden metallischen Struktur und/oder der Nanospitze, insbesondere in einem Bereich zwischen dem Koppelelement und der Nanospitze, erhitzt.Thus, the material of the metallic structure and / or the nano-tip can first be heated to a temperature of 800 ° Celsius within, for example, 8 hours. Subsequently, the heated material can be maintained at a temperature of 800 ° C for a further 8 hours. Subsequently, the material of the metallic structure and / or the nano-tip can be cooled to ambient temperature over a period of 8 hours. By this method, the material is relaxed. In particular, larger grain structures are formed. Preferably, the metallic structure and / or the nanotip is approximately einkristallin ausbildbar. In particular, the material of the metallic structure and / or the nano-tip is heated to dissolve grain boundaries in the area of the tapering metallic structure and / or the nano-tip, in particular in a region between the coupling element and the nano-tip.

Gemäß einer Weiterbildung wird die sich verjüngende, insbesondere konische und/oder kegelförmige, Gestalt der metallischen Struktur und/oder die Nanospitze mittels Ätzen in einer Säure hergestellt. Hierbei kann das Ätzen elektrochemisch erfolgen. Als Säure kann eine Salzsäure, insbesondere eine 37-prozentige Lösung, verwendet werden. Insbesondere wird zum Ausbilden der sich verjüngenden metallischen Struktur und/oder der Nanospitze ein Draht, vorzugsweise ein Golddraht, zentriert in einer Öffnung eines Platinrings und/oder in einer vorgegebenen Tiefe in die Säure eingetaucht. Hierbei kann der Draht 20 μm bis 100 μm, vorzugsweise 50 μm, tief in die Säure eingetaucht werden. Der Platinring kann als Gegenelektrode für den Draht dienen. Zum Durchführen des elektrochemischen Ätzprozesses kann eine Spannung an den Draht und den Platinring angelegt werden. Insbesondere wird die sich verjüngende metallische Struktur und/oder die Nanospitze an einem freien Ende eines Drahtes hergestellt. Aufgrund des Eintauchens des freien Endes des Drahtes kriecht die Säure aufgrund von Kapillarkräften ein Stück weit an dem Draht hoch, wobei die Säure nach einem hinreichenden Materialabtrag von der metallischen Struktur und/oder der Nanospitze abreißt. Aufgrund des Materialabtrages ist die sich verjüngende, konische und/oder kegelförmige Gestalt der metallischen Struktur und/oder der Nanospitze herstellbar.According to a development, the tapered, in particular conical and / or conical, shape of the metallic structure and / or the nano-tip is produced by means of etching in an acid. In this case, the etching can be carried out electrochemically. The acid used can be a hydrochloric acid, in particular a 37% solution. In particular, to form the tapered metallic structure and / or the nanotip, a wire, preferably a gold wire, immersed in an opening of a platinum ring and / or at a predetermined depth is immersed in the acid. Here, the wire 20 microns to 100 microns, preferably 50 microns, are deeply immersed in the acid. The platinum ring can serve as a counter electrode for the wire. To perform the electrochemical etching process, a voltage can be applied to the wire and the platinum ring. In particular, the tapered metallic structure and / or the nano-tip is produced at a free end of a wire. Due to the immersion of the free end of the wire, the acid creeps up some distance on the wire due to capillary forces, with the acid breaking away from the metallic structure and / or the nano-tip after sufficient removal of material. Due to the material removal, the tapered, conical and / or conical shape of the metallic structure and / or the nano-tip can be produced.

Vorzugsweise wird das Koppelelement beabstandet von der Nanospitze auf der Oberfläche der sich verjüngenden metallischen Struktur aufgebracht. Hierbei kann das Koppelelement, insbesondere in der Gestalt eines Gitterkopplers, mittels Ionenstrahllithografie und/oder FIB (engl.: Focussed Ion Beam milling) aufgebracht werden.Preferably, the coupling element is applied spaced from the nano-tip on the surface of the tapered metallic structure. In this case, the coupling element, in particular in the form of a grating coupler, by means of ion beam lithography and / or FIB (English: Focussed Ion Beam milling) can be applied.

Von besonderem Vorteil ist eine Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder einer erfindungsgemäßen Elektronenquelle in einem Elektronenmikroskop, insbesondere in einem ultraschnellen Elektronenmikroskop, in einem Punktprojektionsmikroskop, in einem Rastertunnelmikroskop, einem Transmissionselektronenmikroskop, in einem Raster-Photostrom-Mikroskop und/oder zum zeitaufgelösten Abbilden von Strömen und/oder elektromagnetischen Feldern in Materialen.Of particular advantage is a use of a method according to the invention and / or an electron source according to the invention in an electron microscope, in particular in an ultrafast electron microscope, in a point projection microscope, in a scanning tunneling microscope, a transmission electron microscope, in a raster photocurrent microscope and / or for time-resolved imaging of Currents and / or electromagnetic fields in materials.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to the figures. Show it:

1 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Elektronenquelle, und 1 a schematic side view of an electron source according to the invention, and

2 ein schematisches Ablaufdiagramm für ein erfindungsgemäßes Verfahren. 2 a schematic flow diagram for a method according to the invention.

1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Elektronenquelle 10. Die Elektronenquelle 10 weist eine Kathode 11 und eine Anode 12 auf. Die Kathode 11 und die Anode 12 sind mit einer Spannungsquelle 13 verbunden. Die Kathode 11 und die Anode 12 sind voneinander beabstandet, wobei aufgrund der angelegten Spannungsquelle 13 zwischen der Kathode 11 und der Anode 12 ein hier nicht näher dargestelltes elektrisches Feld erzeugbar ist. 1 shows a schematic side view of an electron source according to the invention 10 , The electron source 10 has a cathode 11 and an anode 12 on. The cathode 11 and the anode 12 are with a voltage source 13 connected. The cathode 11 and the anode 12 are spaced apart, due to the applied voltage source 13 between the cathode 11 and the anode 12 a not shown here in detail electric field can be generated.

Die Kathode 11 weist eine sich verjüngende metallische Struktur 14 auf. Die sich verjüngende metallische Struktur 14 hat eine kegelförmige Gestalt mit einer Nanospitze 15. Die Nanospitze 15 weist ein nanometergroßes Volumen auf und ist der Anode 12 zugewandt. Bei diesem Ausführungsbeispiel hat die Nanospitze 15 einen Öffnungswinkel von 30°. Des Weiteren hat die Nanospitze 15 einen Spitzenradius von 12 nm. Zwischen der Kathode 11 und der Anode 12 kann eine hier nicht näher dargestellte Probe angeordnet sein.The cathode 11 has a tapered metallic structure 14 on. The tapered metallic structure 14 has a conical shape with a nano tip 15 , The nano tip 15 has a nanometer-sized volume and is the anode 12 facing. In this embodiment, the nano-tip has 15 an opening angle of 30 °. Furthermore, the nano tip has 15 a tip radius of 12 nm. Between the cathode 11 and the anode 12 can be arranged a sample not shown here.

Beabstandet von der Nanospitze 15 weist die sich verjüngende metallische Struktur 14 ein Koppelelement 16 auf. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Koppelelement 16 etwa 50 μm von der Nanospitze 15 beabstandet. Das Koppelelement 16 ist als ein Gitterkoppler ausgebildet und auf eine Oberfläche 21 der sich verjüngenden metallischen Struktur 14 aufgebracht. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist das schematisch dargestellte Koppelelement 16 vier Gitterlinien 17 auf. Für eine bessere Übersichtlichkeit sind nicht alle Gitterlinien 17 mit einem Bezugszeichen versehen. Alternativ können auch mehr Gitterlinien 17, insbesondere sieben Gitterlinien 17, vorgesehen sein. Das Koppelelement 16 dient zum Anregen von Oberflächenplasmonen an der Oberfläche 21 der sich verjüngenden metallischen Struktur 14 aufgrund eines auf das Koppelelement 16 eingestrahlten ersten Lichtstrahls 19 und/oder weiteren Lichtstrahls 25.Spaced from the nano tip 15 has the tapered metallic structure 14 a coupling element 16 on. In this embodiment, the coupling element 16 about 50 microns from the nanotip 15 spaced. The coupling element 16 is formed as a grating coupler and on a surface 21 the tapered metallic structure 14 applied. In this embodiment, the coupling element shown schematically 16 four grid lines 17 on. For better clarity, not all grid lines are 17 provided with a reference numeral. Alternatively, you can also use more gridlines 17 , in particular seven grid lines 17 , be provided. The coupling element 16 serves to excite surface plasmons on the surface 21 the tapered metallic structure 14 due to one on the coupling element 16 irradiated first light beam 19 and / or further light beam 25 ,

Die Elektronenquelle 10 hat ein erstes Lasersystem 18 und ein weiteres Lasersystem 26. Bei diesem Ausführungsbeispiel hat das erste Lasersystem 18 eine erste Lichtquelle 27 und das weitere Lasersystem 26 eine weitere Lichtquelle 28. In einer alternativen Ausführungsform können das erste Lasersystem 18 und das weitere Lasersystem 26 eine gemeinsame Lichtquelle aufweisen. Das erste Lasersystem 18 weist einen ersten optischen Pfad 29 für den ersten Lichtstrahl 19 und das weitere Lasersystem 26 einen weiteren optischen Pfad 30 für den weiteren Lichtstrahl 25 auf. Die optischen Pfade 29, 30 sind voneinander getrennt und verlaufen bei diesem Ausführungsbeispiel vollständig unabhängig voneinander.The electron source 10 has a first laser system 18 and another laser system 26 , In this embodiment, the first laser system 18 a first light source 27 and the other laser system 26 another light source 28 , In an alternative embodiment, the first laser system 18 and the other laser system 26 have a common light source. The first laser system 18 has a first optical path 29 for the first ray of light 19 and the other laser system 26 another optical path 30 for the further light beam 25 on. The optical paths 29 . 30 are separated from each other and are completely independent of each other in this embodiment.

Die Lichtquellen 18, 27 sowie die optischen Pfade 29, 30 sind derart angeordnet bzw. ausgebildet, dass bei diesem Ausführungsbeispiel der erste Lichtstrahl 19 und der weitere Lichtstrahl 25 auf das Koppelelement 16 ausgerichtet ist. Eine Achse der Lichtstrahlen 19, 25 ist bei diesem Ausführungsbeispiel rechtwinklig in Bezug auf eine Mittelachse 20 der metallischen Struktur 14 ausgerichtet. Hier ist die Mittelachse 20 schematisch als eine gestrichelte Linie angedeutet. Des Weiteren sind die Lichtstrahlen 19, 25 bei diesem Ausführungsbeispiel schräg zu der Oberfläche 21 der metallischen Struktur 14 bzw. des Koppelelementes 16 ausgerichtet.The light sources 18 . 27 as well as the optical paths 29 . 30 are arranged or formed such that in this embodiment, the first light beam 19 and the further light beam 25 on the coupling element 16 is aligned. An axis of light rays 19 . 25 in this embodiment is perpendicular with respect to a central axis 20 the metallic structure 14 aligned. Here is the middle axis 20 schematically indicated as a dashed line. Furthermore, the light rays 19 . 25 in this embodiment obliquely to the surface 21 the metallic structure 14 or of the coupling element 16 aligned.

Bei einer alternativen Ausführungsform können der erste Lichtstrahl 19 und/oder der weitere Lichtstrahl 25 anstelle auf das Koppelelement 16 unmittelbar auf die Nanospitze 15 selbst ausgerichtet sein. Während bei diesem Ausführungsbeispiel der erste Lichtstrahl 19 und der weitere Lichtstrahl 25 auf zwei unterschiedliche, hier beispielhaft voneinander abgewandte Bereiche des Koppelelementes 16, gerichtet sind, können die beiden Lichtstrahlen 19, 25 in einer alternativen Ausführungsform auf dieselbe Stelle und/oder denselben Bereich der metallischen Struktur 14 gerichtet sein.In an alternative embodiment, the first light beam 19 and / or the further light beam 25 instead of the coupling element 16 directly on the nano tip 15 be self-directed. While in this embodiment, the first light beam 19 and the further light beam 25 to two different, here by way of example remote from each other areas of the coupling element 16 , are directed, the two beams of light can 19 . 25 in an alternative embodiment, on the same location and / or same area of the metallic structure 14 be directed.

Zum Fokussieren des ersten Lichtstrahls 19 ist eine Linse 22 zwischen der Lichtquelle 18 und dem Koppelelement 16 angeordnet. Die Linse 22 ist in einem Strahlengang bzw. in dem ersten optischen Pfad 29 für den ersten Lichtstrahl 19 positioniert. Des Weiteren ist eine weitere Linse 31 zum Fokussieren des weiteren Lichtstrahls 25 zwischen der Lichtquelle 28 und dem Koppelelement 16 angeordnet. Die Linse 31 ist in einem Strahlengang bzw. in dem ersten optischen Pfad 30 für den weiteren Lichtstrahl 25 positioniert. An Stelle einer einzelnen Linse 22 oder 31 kann ein Linsensystem oder eine Reflexionsoptik vorhanden sein.For focusing the first light beam 19 is a lens 22 between the light source 18 and the coupling element 16 arranged. The Lens 22 is in a beam path or in the first optical path 29 for the first ray of light 19 positioned. Furthermore, another lens 31 for focusing the further light beam 25 between the light source 28 and the coupling element 16 arranged. The Lens 31 is in a beam path or in the first optical path 30 for the further light beam 25 positioned. Instead of a single lens 22 or 31 a lens system or a reflection optics may be present.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die metallische Struktur 14 innerhalb einer Vakuumkammer 23 angeordnet. Auch die Anode 12 ist innerhalb der Vakuumkammer 23 positioniert. In einer Wand der Vakuumkammer 23 ist ein erstes Fensterelement 24 angeordnet. In einer weiteren Wand der Vakuumkammer 23 ist bei diesem Ausführungsbeispiel ein weiteres Fensterelement 32 angeordnet. Die Fensterelemente 23 und 32 sind hier an zwei voneinander abgewandten Seiten der Vakuumkammer 23. In einer alternativen Ausführungsform können beide Fensterelemente 24, 32 nebeneinander und/oder auf derselben Seite bzw. derselben Wand der Vakuumkammer 23 sein. In einer weiteren Alternative kann lediglich ein einzelnes Fensterelement vorhanden sein, wobei die optische Pfade 28, 29 so angeordnet sind, dass der erste Lichtstrahl 19 und der weitere Lichtstrahl 25 durch dasselbe Fensterelement in die Vakuumkammer 23 gelangen können.In this embodiment, the metallic structure 14 inside a vacuum chamber 23 arranged. Also the anode 12 is inside the vacuum chamber 23 positioned. In a wall of the vacuum chamber 23 is a first window element 24 arranged. In another wall of the vacuum chamber 23 is another window element in this embodiment 32 arranged. The window elements 23 and 32 are here on two opposite sides of the vacuum chamber 23 , In an alternative embodiment, both window elements 24 . 32 next to each other and / or on the same side or the same wall of the vacuum chamber 23 be. In a further alternative, only a single window element may be present, with the optical paths 28 . 29 are arranged so that the first light beam 19 and the further light beam 25 through the same window element in the vacuum chamber 23 can reach.

Außerhalb der Vakuumkammer 23 sind die Lichtquellen 18, 28, wobei der erste Lichtstrahl 19 durch das Fensterelement 24 und der weitere Lichtstrahl 25 durch das weitere Fensterelement 32 in das Innere der Vakuumkammer 23 und zum Koppelelement 16 gelangen kann. Die Linsen 22, 31 sind außerhalb der Vakuumkammer 23 angeordnet. Alternativ können die Linsen 22, 31 innerhalb der Vakuumkammer 23 sein. In einer weiteren Alternative kann die Lichtquelle 18 und/oder 28 innerhalb der Vakuumkammer 23 positioniert sein, wobei dann das Fensterelement 24 bzw. 32 verzichtbar ist.Outside the vacuum chamber 23 are the light sources 18 . 28 , wherein the first light beam 19 through the window element 24 and the further light beam 25 through the further window element 32 into the interior of the vacuum chamber 23 and to the coupling element 16 can get. The lenses 22 . 31 are outside the vacuum chamber 23 arranged. Alternatively, the lenses can 22 . 31 inside the vacuum chamber 23 be. In another alternative, the light source 18 and or 28 inside the vacuum chamber 23 be positioned, in which case the window element 24 respectively. 32 is dispensable.

Im Bereich der Anode 12 ist ein Detektorsystem 33 angeordnet. Das Detektorsystem 33 ist zum Detektieren von Elektronen ausgebildet. Hierzu weist das Detektorsystem 33 eine Erfassungseinrichtung 34 auf. Die Erfassungseinrichtung 34 ist zum Bestimmen einer kinetischen Energie der auf das Detektorsystem 33 treffenden Elektronen ausgebildet. Zudem können Elektronen mittels des Detektorsystems 33 und/oder der Erfassungseinrichtung 34 hinsichtlich ihrer räumlichen Lage erfasst werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Erfassungseinrichtung als ein Delay-Line-Detektor ausgebildet. Des Weiteren weist das Detektorsystem 33 eine Mikrokanalplatte 35 auf. Die Mikrokanalplatte 35 ist zwischen der Nanospitze 15 und der Erfassungseinrichtung 34 angeordnet. Hierbei ist die Mikrokanalplatte 35 der Anode 12 zugeordnet. Üblicherweise können mindestens zwei Mikrokanalplatten 35 vorhanden sein.In the area of the anode 12 is a detector system 33 arranged. The detector system 33 is designed to detect electrons. For this purpose, the detector system 33 a detection device 34 on. The detection device 34 is for determining a kinetic energy of the detector system 33 formed meeting electrons. In addition, electrons can be detected by means of the detector system 33 and / or the detection device 34 in terms of their spatial location. In this embodiment, the detection device is designed as a delay line detector. Furthermore, the detector system 33 a microchannel plate 35 on. The microchannel plate 35 is between the nano tip 15 and the detection device 34 arranged. Here is the microchannel plate 35 the anode 12 assigned. Usually, at least two microchannel plates 35 to be available.

2 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm für ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Erzeugen eines Elektronenimpulses mit einer Elektronenquelle 10 gemäß 1. Nach dem Start gemäß Schritt S10 wird entsprechend Schritt S11 eine Spannung mittels der Spannungsquelle 13 an die Kathode 11 und die Anode 12 angelegt. Aufgrund der angelegten Spannung wird ein elektrisches Feld zwischen der metallischen Struktur 14, insbesondere der Nanospitze 15, und der Anode 12 gebildet. 2 shows a schematic flow diagram for a method according to the invention for generating an electron pulse with an electron source 10 according to 1 , After starting according to step S10, a voltage is applied by means of the voltage source in accordance with step S11 13 to the cathode 11 and the anode 12 created. Due to the applied voltage, an electric field between the metallic structure 14 , in particular the nano tip 15 , and the anode 12 educated.

Gemäß Schritt S12 wird die metallische Struktur 14 mit einem ersten Lichtstrahl 19 bestrahlt. Hierbei kann der erste Lichtstrahl 19 wahlweise entweder auf das Koppelelement 16 oder die Nanospitze 15 fokussiert werden. Aufgrund der Bestrahlung der metallischen Struktur 14 mit dem ersten Lichtstrahl 19 werden Elektronen in der Nanospitze 15 gemäß Schritt S13 in einen Bildladungszustand überführt. Die Zeitdauer bzw. die volle Halbwertsbreite des ersten Lichtstrahls 19 kann weniger als 10 Femtosekunden betragen. Aufgrund der optischen Anregung der Nanospitze 15 mittels des ersten Lichtstrahls 19 werden die Elektronen in den Bildladungszustand als ein Atom-ähnlicher Oberflächenzustand emittiert. Hierbei wird eine Polarisation der Ladungsverteilung im Inneren der Nanospitze 15 erzeugt, die zu einer anziehenden Wechselwirkung mit dem austretenden Elektron führt. Nach der Beendigung der Bestrahlung mit dem ersten Lichtstrahl 19 verbleiben die in den Bildladungszustand überführten Elektronen für eine bestimmte Zeitdauer in dem Bildladungszustand, bevor die Elektronen wieder in ihren ursprünglichen Zustand zurückfallen würden. Insbesondere verbleiben die in den Bildladungszustand überführten Elektronen nach dem Beenden der Einstrahlung mit dem ersten Lichtstrahl 19 für eine Zeitdauer von bis zu 100 Femotsekunden in dem Bildladungszustand.According to step S12, the metallic structure becomes 14 with a first ray of light 19 irradiated. Here, the first light beam 19 optionally either on the coupling element 16 or the nano-tip 15 be focused. Due to the irradiation of the metallic structure 14 with the first light beam 19 become electrons in the nano-tip 15 is transferred to an image charge state according to step S13. The time duration or the full half width of the first light beam 19 may be less than 10 femtoseconds. Due to the optical excitation of the nanotip 15 by means of the first light beam 19 For example, the electrons are emitted to the image charge state as an atom-like surface state. In this case, a polarization of the charge distribution in the interior of the nano-tip 15 produced, which leads to an attractive interaction with the exiting electron. After the completion of the irradiation with the first light beam 19 The electrons transferred to the image charge state remain in the image charge state for a certain period of time before the electrons would fall back to their original state. In particular, the electrons transferred into the image charge state remain after the completion of the irradiation with the first light beam 19 for a period of up to 100 femtoseconds in the image charge state.

Sodann und zeitlich nachfolgend zu der Bestrahlung mit dem ersten Lichtstrahl 19 wird die metallische Struktur 14 gemäß Schritt S14 mit dem weiteren Lichtstrahl 25 bestrahlt. Der weitere Lichtstrahl 25 kann alternativ auf das Koppelelement 16 oder die Nanospitze 15 fokussiert werden. Der weitere Lichtstrahl 25 wird bei diesem Ausführungsbeispiel in einem Zeitbereich von bis zu 100 Femtosekunden nach dem Ende der Bestrahlung mittels des ersten Lichtstrahls 19 auf die metallische Struktur 14 abgegeben. Insbesondere wird die Bestrahlung mit dem weiteren Lichtstrahl 25 innerhalb der Zeitdauer von 100 Femtosekunden nach dem Ende der Bestrahlung mit dem ersten Lichtstrahl 19 beendet. Die Zeitdauer bzw. die volle Halbwertsbreite des weiteren Lichtstrahls 25 kann weniger als 10 Femtosekunden betragen.Then and in time subsequent to the irradiation with the first light beam 19 becomes the metallic structure 14 in step S14 with the further light beam 25 irradiated. The further light beam 25 may alternatively on the coupling element 16 or the nano-tip 15 be focused. The further light beam 25 becomes in this embodiment in a time range of up to 100 femtoseconds after the end of the irradiation by means of the first light beam 19 on the metallic structure 14 issued. In particular, the irradiation with the further light beam 25 within the period of 100 femtoseconds after the end of irradiation with the first light beam 19 completed. The duration or the full width at half maximum of the further light beam 25 may be less than 10 femtoseconds.

Aufgrund des weiteren Lichtstrahls 25 werden die sich im Bildladungszustand befindenden Elektronen aus dem Bildladungszustand gemäß Schritt S15 ausgelöst. Hierdurch wird der gewünschte Elektronenstrahl und/oder Elektronenpuls gemäß Schritt S16 abgegeben. Sodann endet das Verfahren gemäß Schritt S17.Due to the further light beam 25 For example, the electrons in the image charge state are released from the image charge state in accordance with step S15. As a result, the desired electron beam and / or electron pulse is emitted in accordance with step S16. Then, the process ends in step S17.

Der erste Lichtstrahl 19 und der weitere Lichtstrahl 25 können als Lichtpulse mit einer Zeitdauer und/oder vollen Halbwertsbreite im Bereich von 10 Femtosekunden erzeugt werden. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens können Elektronenpulse mit einer kurzen Zeitdauer und/oder vollen Halbwertsbreite, insbesondere deutlich weniger als 100 Femtosekunden oder weniger als 10 Femtosekunden, erzeugt werden. Insbesondere ist für einen einzelnen Elektronenpuls eine Zeitdauer und/oder volle Halbwertszeit im Attosekundenbereich realisierbar.The first ray of light 19 and the further light beam 25 can be generated as light pulses with a duration and / or full width at half maximum in the range of 10 femtoseconds. By means of the method according to the invention, electron pulses having a short duration and / or full width at half maximum, in particular significantly less than 100 femtoseconds or less than 10 femtoseconds, can be generated. In particular, a time duration and / or full half-life in the attosecond range can be realized for a single electron pulse.

Das Verfahren gemäß den Schritten S10 bis S17 kann beliebig oft wiederholt werden. Hierdurch ist eine Folge von Elektronenpulsen erzeugbar. Hierbei ist aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Beschädigung und/oder Veränderung der Nanospitze 15 verhinderbar. Aufgrund der angelegten Spannung werden Elektronen an die Nanospitze 15 nachgeliefert. Es kann eine Sequenz von Laserpulsen für den ersten Lichtstrahl 19 und den weiteren Lichtstrahl 25 mit einer durch den Nutzer wählbaren Wiederholfrequenz erzeugt werden. Die maximal mögliche Wiederholfrequenz kann durch eine Erwärmung der Spitze limitiert sein.The method according to steps S10 to S17 can be repeated as often as desired. As a result, a sequence of electron pulses can be generated. This is due to the method according to the invention damage and / or change the nano tip 15 preventable. Due to the applied voltage, electrons are transferred to the nanotip 15 resupplied. It can be a sequence of laser pulses for the first light beam 19 and the other light beam 25 be generated at a user selectable refresh rate. The maximum possible repetition frequency can be limited by heating the tip.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
Elektronenquelleelectron source
1111
Kathodecathode
1212
Anodeanode
1313
Spannungsquellevoltage source
1414
Metallische StrukturMetallic structure
1515
NanospitzeNano tip
1616
Koppelelementcoupling element
1717
Gitterliniegrid line
1818
erstes Lasersystemfirst laser system
1919
erster Lichtstrahlfirst light beam
2020
Mittelachsecentral axis
2121
Oberflächesurface
2222
Linselens
2323
Vakuumkammervacuum chamber
2424
Fensterelementwindow element
2525
weiterer Lichtstrahlanother light beam
2626
weiteres Lasersystemanother laser system
2727
erste Lichtquellefirst light source
2828
weitere Lichtquelleanother light source
2929
erster optischer Pfadfirst optical path
3030
weiterer optischer Pfadanother optical path
3131
weitere Linseanother lens
3232
weiteres Fensterelementanother window element
3333
Detektorsystemdetector system
3434
Erfassungseinrichtungdetector
3535
MikrokanalplatteMicrochannel plate
S10S10
Startbegin
S11S11
Spannung anlegenApply voltage
S12S12
Metallische Struktur mit erstem Lichtstrahl bestrahlenIrradiate metallic structure with first light beam
S13S13
Überführung von Elektronen in einen BildladungszustandTransfer of electrons into an image charge state
S14S14
Metallische Struktur mit weiterem Lichtstrahl bestrahlenIrradiate metallic structure with additional light beam
S15S15
Auslösen von Elektronen aus dem BildladungszustandTriggering electrons from the image charge state
S16S16
Abgeben eines ElektronenstrahlsDelivering an electron beam
S17S17
EndeThe End

Claims (15)

Verfahren zum Erzeugen eines Elektronenstrahls und/oder eines Elektronenpulses, bei dem eine sich verjüngende metallische Struktur (14) mit einer Nanospitze (15) zum Abgeben von Elektronen verwendet wird, die metallische Struktur (14) als eine Kathode (11) verwendet wird, eine Spannung an die metallische Struktur (14) angelegt wird, und mit einem ersten Lichtstrahl (19) die metallische Struktur (14) bestrahlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Struktur (14) mit einem weiteren Lichtstrahl (25) bestrahlt wird, wobei aufgrund der Bestrahlung der metallischen Struktur (14) mit dem ersten Lichtstrahl (19) und dem weiteren Lichtstrahl (25) der Elektronenstrahl und/oder der Elektronenpuls erzeugt wird.Method for generating an electron beam and / or an electron pulse, in which a tapered metallic structure ( 14 ) with a nano tip ( 15 ) is used to deliver electrons, the metallic structure ( 14 ) as a cathode ( 11 ) is used, a voltage to the metallic structure ( 14 ) and with a first light beam ( 19 ) the metallic structure ( 14 ) is irradiated, characterized in that the metallic structure ( 14 ) with another light beam ( 25 ) is irradiated, wherein due to the irradiation of the metallic structure ( 14 ) with the first light beam ( 19 ) and the further light beam ( 25 ) the electron beam and / or the electron pulse is generated. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronenstrahl und/oder der Elektronenpuls aufgrund einer räumlichen und/oder zeitlichen Überlagerung des ersten Lichtstrahls (19) und des weiteren Lichtstrahls (25) erzeugt wird, vorzugsweise wird die metallische Struktur (14) zeitlich nach dem ersten Lichtstrahl (19), insbesondere innerhalb von weniger als 100 fs nach Ende der Bestrahlung mit dem ersten Lichtstrahl (19), mit dem weiteren Lichtstrahl (25) bestrahlt, vorzugsweise wird bei einer Bestrahlung der metallischen Struktur (14) mit ausschließlich dem ersten Lichtstrahl (19) oder ausschließlich dem weiteren Lichtstrahl (25) kein Elektronenstrahl und/oder Elektronenpuls verursacht.A method according to claim 1, characterized in that the electron beam and / or the electron pulse due to a spatial and / or temporal superposition of the first light beam ( 19 ) and the further light beam ( 25 ), preferably the metallic structure ( 14 ) after the first light beam ( 19 ), in particular within less than 100 fs after the end of the irradiation with the first light beam ( 19 ), with the further light beam ( 25 ) is irradiated, preferably when irradiating the metallic structure ( 14 ) with only the first light beam ( 19 ) or exclusively the further light beam ( 25 ) does not cause an electron beam and / or electron pulse. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Lichtstrahl (19) aus einem ersten Wellenlängenbereich und der weitere Lichtstrahl (25) aus einem von dem ersten Wellenlängenbereich verschiedenen weiteren Wellenlängenbereich gewählt wird, vorzugsweise wird der erste Lichtstrahl (19), insbesondere als ein erster Lichtpuls, von einem ersten Lasersystem (18) und/oder der weitere Lichtstrahl (25), insbesondere als ein weiterer Lichtpuls, von einem weiteren Lasersystem (26) erzeugt, insbesondere geben das erste Lasersystem (18) und das weitere Lasersystem (26) jeweils einen Lichtstrahl (19, 25) und/oder Lichtpuls in voneinander abweichenden Wellenlängenbereichen ab.Method according to claim 1 or 2, characterized in that the first light beam ( 19 ) from a first wavelength range and the further light beam ( 25 ) is selected from a different wavelength range from the first wavelength range, preferably the first light beam ( 19 ), in particular as a first light pulse, from a first laser system ( 18 ) and / or the further light beam ( 25 ), in particular as a further light pulse, from a further laser system ( 26 ), in particular give the first laser system ( 18 ) and the further laser system ( 26 ) each have a light beam ( 19 . 25 ) and / or light pulse in different wavelength ranges. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Lichtstrahl (19) eine, insbesondere mittlere, Wellenlänge im sichtbaren Bereich, insbesondere im Bereich von 250 nm bis 750 nm, hat, vorzugsweise hat der weitere Lichtstrahl (25) eine, insbesondere mittlere, Wellenlänge im infraroten oder nah-infraroten Bereich, insbesondere im Bereich von 750 nm bis 1.000 nm, vorzugsweise im Bereich von 750 nm bis 1.400 nm oder bis 3.000 nm.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the first light beam ( 19 ) has a, in particular average, wavelength in the visible range, in particular in the range of 250 nm to 750 nm, preferably has the further light beam ( 25 ) one, in particular average, wavelength in the infrared or near-infrared region, in particular in the range of 750 nm to 1,000 nm, preferably in the range of 750 nm to 1,400 nm or up to 3,000 nm. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Elektronen in der metallischen Struktur (14), insbesondere in der Nanospitze (15), mittels des ersten Lichtstrahls (19) in einen Zwischenzustand oberhalb der Fermi-Energie, vorzugsweise in einen Bildladungszustand, überführt werden, insbesondere werden die Elektronen mittels des weiteren Lichtstrahls (25) aus dem Zwischenzustand und/oder dem Bildladungszustand zum Erzeugen des Elektronenstrahls und/oder des Elektronenpulses ausgelöst.Method according to one of the preceding claims, characterized in that electrons in the metallic structure ( 14 ), especially in the nanosphere ( 15 ), by means of the first light beam ( 19 ) are transferred to an intermediate state above the Fermi energy, preferably into an image charge state, in particular the electrons are converted by means of the further light beam (FIG. 25 ) is triggered from the intermediate state and / or the image charge state for generating the electron beam and / or the electron pulse. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des weiteren Lichtstrahls (25) eine Starkfeld-Photoemission verursacht wird, insbesondere wird mittels des weiteren Lichtstrahls (25) ein elektrisches Feld im Bereich der metallischen Struktur (14) erzeugt, wobei sich aufgrund der verjüngenden Gestalt der metallischen Struktur (14) und/oder der Nanospitze (15) eine Feldüberhöhung ergibt, vorzugsweise wird mittels der Einstrahlung des weiteren Lichtstrahls (25) eine Above-Threshold-Ionisation verursacht.Method according to one of the preceding claims, characterized in that by means of further light beam ( 25 ) a strong field photoemission is caused, in particular by means of the further light beam ( 25 ) an electric field in the region of the metallic structure ( 14 ), due to the tapered shape of the metallic structure ( 14 ) and / or the nano-tip ( 15 ) results in a field increase, preferably by means of the irradiation of the further light beam ( 25 ) causes above-threshold ionization. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als erster Lichtstrahl (19) und/oder als weiterer Lichtstrahl (15) ein Lichtpuls mit einer Zeitdauer und/oder vollen Halbwertszeit von weniger als 100 fs, weniger als 50 fs oder weniger als 20 fs verwendet wird, besonders bevorzugt liegt die Zeitdauer und/oder die volle Halbwertszeit im Bereich von 15 fs, 10 fs oder weniger, insbesondere wird aufgrund einer Folge von ersten Lichtstrahlen (19) und weiteren Lichtstrahlen (25) eine Folge von einzelnen Elektronenstrahlen und/oder Elektronenpulsen erzeugt, vorzugsweise hat ein einzelner Elektronenstrahl und/oder Elektronenpuls eine Zeitdauer und/oder volle Halbwertszeit von weniger als 100 fs, insbesondere weniger als 50 fs, besonders bevorzugt von weniger als 10 fs.Method according to one of the preceding claims, characterized in that as the first light beam ( 19 ) and / or as another light beam ( 15 ) a light pulse having a duration and / or full half-life of less than 100 fs, less than 50 fs or less than 20 fs is used, more preferably the time duration and / or the full half-life is in the range of 15 fs, 10 fs or less in particular, due to a sequence of first light beams ( 19 ) and other light beams ( 25 Preferably, a single electron beam and / or electron pulse has a time duration and / or full half-life of less than 100 fs, in particular less than 50 fs, particularly preferably less than 10 fs. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanospitze (15) und/oder ein von der Nanospitze (15) beabstandetes Koppelelement (16) der metallischen Struktur (14) mit dem ersten Lichtstrahl (19) und/oder dem weiteren Lichtstrahl (25) bestrahlt wird, vorzugsweise wird der erste Lichtstrahl (19) und/oder der weitere Lichtstrahl (25) auf die metallische Struktur (14), das Koppelelement (16) und/oder die Nanospitze (15) fokussiert.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the nano-tip ( 15 ) and / or one of the nano-tip ( 15 ) spaced coupling element ( 16 ) of the metallic structure ( 14 ) with the first light beam ( 19 ) and / or the further light beam ( 25 ) is irradiated, preferably the first light beam ( 19 ) and / or the further light beam ( 25 ) on the metallic structure ( 14 ), the coupling element ( 16 ) and / or the nano-tip ( 15 ) focused. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Lichtstrahl (19) und/oder der weitere Lichtstrahl (25) auf einen Fokusdurchmesser fokussiert wird, der im Wesentlichen den Ausmaßen der metallischen Struktur (14), eines Koppelelementes (16) und/oder der Nanospitze (15) entspricht, vorzugsweise erfolgt die Fokussierung und/oder Justierung des ersten Lichtstrahls (19) und/oder des weiteren Lichtstrahls (25) in Bezug zu einer Mittelachse (20) der metallischen Struktur (14).Method according to one of the preceding claims, characterized in that the first light beam ( 19 ) and / or the further light beam ( 25 ) is focussed to a focus diameter substantially corresponding to the dimensions of the metallic structure ( 14 ), a coupling element ( 16 ) and / or the nano-tip ( 15 ), preferably the focusing and / or adjustment of the first light beam ( 19 ) and / or the further light beam ( 25 ) with respect to a central axis ( 20 ) of the metallic structure ( 14 ). Elektronenquelle zum Erzeugen eines Elektronenstrahls und/oder Elektronenpulses mit einer Kathode (11), die eine sich verjüngende metallische Struktur (14) aufweist und eine Nanospitze (15) zum Abgeben von Elektronen hat, mit einem ersten Lasersystem (18) zum Bestrahlen der metallischen Struktur (14) mit einem ersten Lichtstrahl (19), gekennzeichnet durch ein weiteres Lasersystem (26) zum Bestrahlen der metallischen Struktur (14) mit einem weiteren Lichtstrahl (25), wobei aufgrund der Ausbildung des ersten Lasersystems (18) und des weiteren Lasersystems (26) zum Bestrahlen der metallischen Struktur (14) der Elektronenstrahl und/oder der Elektronenpuls erzeugbar ist.Electron source for generating an electron beam and / or electron pulse with a cathode ( 11 ) having a tapered metallic structure ( 14 ) and a nano tip ( 15 ) for emitting electrons, with a first laser system ( 18 ) for irradiating the metallic structure ( 14 ) with a first light beam ( 19 ), characterized by a further laser system ( 26 ) for irradiating the metallic structure ( 14 ) with another light beam ( 25 ), due to the formation of the first laser system ( 18 ) and the further laser system ( 26 ) for irradiating the metallic structure ( 14 ) the electron beam and / or the electron pulse can be generated. Elektronenquelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Struktur (14) und/oder die Nanospitze (15) konusartig und/oder kegelartig ausgebildet ist, insbesondere ist die metallische Struktur (14) aus Gold, Silber, Wolfram oder Aluminium gebildet, vorzugsweise hat die metallische Struktur (14) und/oder die Nanospitze (15) einen Öffnungswinkel im Bereich von 10° bis 40°, insbesondere im Bereich von 20° bis 30°.Electron source according to claim 10, characterized in that the metallic structure ( 14 ) and / or the nano-tip ( 15 ) is cone-shaped and / or cone-shaped, in particular the metallic structure ( 14 ) is formed from gold, silver, tungsten or aluminum, preferably the metallic structure ( 14 ) and / or the nano-tip ( 15 ) an opening angle in the range of 10 ° to 40 °, in particular in the range of 20 ° to 30 °. Elektronenquelle nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Lasersystem (18) und/oder das weitere Lasersystem (25) einen Femtosekundenlaser als eine Lichtquelle (27, 28) hat, vorzugsweise hat die metallische Struktur (14) beabstandet von der Nanospitze (15) ein Koppelelement (16) zum Anregen mindestens eines Plasmons mittels des ersten Lichtstrahls (19) und/oder des weiteren Lichtstrahls (25), insbesondere ist das Koppelelement (16) als ein Gitterkoppler ausgebildet, vorzugsweise ist der Abstand des Koppelelementes (16) von der Nanospitze (15) größer als ein Fokusdurchmesser des ersten Lichtstrahls (19) und/oder des weiteren Lichtstrahls (25) zum Bestrahlen des Koppelelementes (16).An electron source according to claim 10 or 11, characterized in that the first laser system ( 18 ) and / or the further laser system ( 25 ) a femtosecond laser as a light source ( 27 . 28 ), preferably the metallic structure ( 14 ) spaced from the nano-tip ( 15 ) a coupling element ( 16 ) for exciting at least one plasmone by means of the first light beam ( 19 ) and / or the further light beam ( 25 ), in particular the coupling element ( 16 ) is formed as a grating coupler, preferably the distance of the coupling element ( 16 ) from the nanosphere ( 15 ) greater than a focus diameter of the first light beam ( 19 ) and / or the further light beam ( 25 ) for irradiating the coupling element ( 16 ). Elektronenquelle nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Struktur (14) innerhalb einer Vakuumkammer (23) angeordnet ist, vorzugsweise ist eine Lichtquelle (27, 28), insbesondere ein Laser, zum Bestrahlen der metallischen Struktur (14), der Nanospitze (15) und/oder eines Koppelelementes (16) außerhalb der Vakuumkammer (23) angeordnet, wobei der erste Lichtstrahl (19) und/oder der weitere Lichtstrahl (25) der metallischen Struktur (14), der Nanospitze (15) und/oder dem Koppelelement (16) durch ein Fensterelement (24, 32) der Vakuumkammer (23) zuführbar ist.Electron source according to one of Claims 10 to 12, characterized in that the metallic structure ( 14 ) within a vacuum chamber ( 23 ), preferably a light source ( 27 . 28 ), in particular a laser, for irradiating the metallic structure ( 14 ), the nanosphere ( 15 ) and / or a coupling element ( 16 ) outside the vacuum chamber ( 23 ), wherein the first light beam ( 19 ) and / or the further light beam ( 25 ) of the metallic structure ( 14 ), the nanosphere ( 15 ) and / or the coupling element ( 16 ) through a window element ( 24 . 32 ) of the vacuum chamber ( 23 ) can be fed. Elektronenquelle nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Detektorsystem (33) zum Detektieren von Elektronen eine Erfassungseinrichtung (34) zum Bestimmen einer kinetischen Energie der Elektronen aufweist, vorzugsweise weist die Erfassungseinrichtung (34) einen Delay-Line-Detektor auf, insbesondere ist die Erfassungseinrichtung (34) und/oder der Delay-Line-Detektor in Kombination mit mindestens einer Mikrokanalplatte (35) angeordnet.Electron source according to one of claims 10 to 12, characterized in that a detector system ( 33 ) for detecting electrons a detection device ( 34 ) for determining a kinetic energy of the electrons, preferably the detection device ( 34 ) a delay line detector, in particular the detection device ( 34 ) and / or the delay line detector in combination with at least one microchannel plate ( 35 ) arranged. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und/oder einer Elektronenquelle (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 14 in einem Elektronenmikroskop, in einem ultraschnellen Elektronenmikroskop, in einem Punktprojektionsmikroskop, in einem Rastertunnelmikroskop, in einem Raster-Photostrom-Mikroskop und/oder zum zeitaufgelösten Abbilden von Strömen und/oder elektromagnetischen Feldern in Materialen.Use of a method according to one of claims 1 to 9 and / or an electron source ( 10 ) according to one of claims 10 to 14 in an electron microscope, in an ultrafast electron microscope, in a point projection microscope, in a scanning tunneling microscope, in a scanning photocurrent microscope and / or for time-resolved mapping of currents and / or electromagnetic fields in materials.
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