Фотоэлектронная спектроскопия с угловым разрешением

 

Регистрация электронов валентной зоны, эмитируемых в результате УФ-облучения поверхности образца, осуществляется методами фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением (ARPES¹). При этом открывается возможность исследования электронной структуры твердого тела с применением технологий прецизионного анализа энергетического и углового распределения фотоэлектронов.

 

¹«ARPES» (Angle-Resolved Photoelectron Spectroscopy) – фотоэлектронная спектроскопия с угловым разрешением

 

Фотоэлектронная спектроскопия (PES²) относится к самым мощным и широко применяемым методам анализа в материаловедении, физике и химии твердого тела. Особая чувствительность методики к типу материала и популярность современных технологий неразрушающего контроля химического состава (XPS³ или ESCA⁴) и электронной структуры (UPS⁵ и ARPES) материалов обусловлены характерными особенностями фотоэлектрического эффекта.

 

²«PES» (Photoelectron Spectroscopy) – фотоэлектронная спектроскопия.

³«XPS» (X-ray Photoelectron Spectroscopy) – рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС).

⁴«ESCA» (Electron Spectroscopy for Chemical Analysis) – электронная спектроскопия для химического анализа.

⁵«UPS» (Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy) – ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия (УФЭС).

 

В процессе освещения поверхности образца определенная энергия фотонов (hv) затрачивается на преодоление сил связи (E_b) и работы выхода (Φ) электронов в твердом теле. Оставшаяся часть преобразуется в кинетическую энергию (E_kin) фотоэлектронов. Подобный переход осуществляется из занятых электронных состояний с энергией E_i на свободные уровни E_f в соответствии с законом сохранения энергии.

 

E_kin=h_v–E_b-∅

 

В операциях, проводимых по методике UPS и ARPES, анализируемая область ограничивается верхними энергетическими состояниями электронов вблизи уровня Ферми. Особый интерес в современном материаловедении представляют соответствующие энергетические уровни, образующие зоны валентности и проводимости, а также поверхностные состояния в металлах и полупроводниках. Так, принципами сохранения энергии и волнового вектора k (k_x, k_y, k_z) в процессе фотоэмиссии обусловлены характерные углы излучения электронов относительно поверхности, в зависимости от действующего импульса в объеме материала. В результате достигается возможность регистрации интенсивности фотоэмиссии (I) как функции кинетической энергии (E_kin), несущей информацию о химическом составе/силовых параметрах, и угла излучения, соответствующего импульсу (k).

 

Искажения геометрии поверхности не оказывают влияния на процессы сохранения энергии, также неизменной остается параллельная волновая составляющая импульса k_ӀӀ (соответствующая значениям k_x и k_y), тогда как нормальный компонент параметра (k_┴) после пересечения поверхности подвержен значительным колебаниям. В модуле анализатора осуществляется регистрация кинетической энергии электронов E_kin (пересчитанной на энергию связи E_b) и угла излучения Θ (параллельной составляющей волнового вектора k_ӀӀ). Полученные данные далее служат основой формирования двумерного распределения электронов для измеренных значений E_kin и k_ӀӀ, непосредственно отражающего электронную (зонную) структуру материала.

 

 

Контроль угла излучения по второй координате в современных устройствах и системах анализа поверхности достигается посредством наклона образца по оси y или с помощью интегрированного в электронную линзу отражателя, формирующего диаграмму распределения. Построение двумерной карты зоны в координатах k_x и k_y осуществляется изменением угла излучения по второй оси. Управление направленным вне плоскости импульсом k_z становится возможным при вариации энергии фотонов источника возбуждения.

 

 

Достижение оптимальных результатов в лабораторных условиях требует применения стабильных точечных источников ультрафиолетового излучения высокой интенсивности, играющих ключевую роль в достижении высокой скорости и эффективности процесса измерений, тогда как благодаря малому размеру пятна обеспечивается максимальное угловое (импульсное) разрешение. Компанией SPECS представлен модельный ряд специализированных источников ультрафиолета, от универсальных и надежных устройств для коммерческого применения до высокотехнологичных систем, работающих с различными газами в широком диапазоне энергии фотонов и оснащаемых монохроматорами, позволяющими дополнительно повысить эффективность и разрешение оборудования.

 

Помимо величин энергии и импульса особый интерес в процессах научного анализа могут представлять и такие параметры, как спин электрона и даже привязка к поверхности в операциях анализа малых областей (импульсная микроскопия). Применение блока регистрации с избирательной чувствительностью позволяет измерить интенсивность эмиссии электронов с положительным и отрицательным значением спина («спин-вверх» и «спин-вниз»), рассчитать разность и так называемую функцию асимметрии.

 

 

Необходимо учитывать, что источником электронов, регистрируемых методами ARPES (и иных, основанных на механизме фотоэмиссии) является возбужденное состояние атомов вещества. Однако достаточно хорошей аппроксимацией зачастую является предположение о схожести конечного и основного состояния, позволяющее делать выводы об электронной структуре твердого тела.

 

Демонстрация возможностей сканирующего объектива ASTRAIOS 190 с одинарным лучом. На примере графена/SiC, возбуждаемого монохромным источником фотонов с энергией He II (41,2 эВ) и малым размером УФ-пятна можно в динамике наблюдать эффект применения отклоняющей системы.

 

 

На нашем сайте вы можете ознакомиться с доступными к заказу РФЭС решениями (XPS, NAP XPS и другое): оборудование рентгеновской фотоэлектронной спектрометрии.