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The performance of free electron lasers depends on the brilliance of the electron source. Nowadays photo-cathodes (e.g. Cs2Te) are used despite of their high emittance. To develop robust and more brilliant cathodes we have built up an UHV system which enables systematic photoemission (PE) measurements with a tunable pulsed laser (hv) at high electric fields (E). First results on Au and Ag crystals revealed only low quantum efficiency (QE) due to fast electron relaxation. Hence, we have started QE(hv,E) investigations on n- and p-Si wafers. Resonant PE was observed above as well as below the work function O, which can be assigned to optical transitions in the electronic band structure or explained by thermally excited states at the bottom of the conduction band. As expected, only low QE values were achieved even for n-Si probably due to surface oxide. Moreover, a significant rise of the QE peaks above O were obtained for n-Si at E >8 MV/m but limited by the occurrence of parasitic field emission from dust particles.
Feldemissionselektronenquellen sind aufgrund ihrer prinzipiellen Vorteile gegenüber Glühkathoden bereits seit längerer Zeit Gegenstand der Forschung und werden bisher nur in einigen Spezialanwendungen erfolgreich eingesetzt. Hierbei werden Einzelspitzen mit Spannungen im kV-Bereich und Strömen im nA-Bereich betrieben. Dagegen werden für miniaturisierte Sensorsysteme eher Spannungen von ca. 100 V und Ströme von ca. 1 mA benötigt. Dazu wurden bisher meist Feldemissionskathoden mit CNTs vorgeschlagen, welche für Anwendungen in der Halbleiterindustrie aufgrund des Kohlenstoffanteils nicht erwünscht sind. Ziel unserer Arbeit ist es, Si-basierte Elektronenquellen zu realisieren, die mit anderen miniaturisierten Vakuumsensoren auf einem Chip integrierbar sind. Mithilfe eines optimierten Herstellungsprozesses konnten wir p-Si-Spitzenarrays mit Spitzenradien von wenigen nm realisieren [1]. Messungen an diesen Strukturen zeigen ein sehr homogenes Emissionsverhalten, das vor allem im Sättigungsbereich bei Emissionsströmen von ca. 10 nA pro Spitze zeitlich stabil (Schwankungen < 5 %) und optisch schaltbar (Faktor > 2.5) ist [2].