Summary
이 방법의 전반적인 목표는 싱크로트론 방사와 각도 - 해결 Photoemission 분광법을 사용하여 매우 낮은 온도에서 고체의 낮은 에너지 전자 구조를 결정하는 것입니다.
Abstract
재료의 물리적 특성은 그 전자 구조에 의해 정의됩니다. 고체의 전자가 에너지 (ω)와 추진력 (K)와 주어진 ω와 k를 특정 상태에 그들을 발견 할 수있는 확률이 특징하는 것은 스펙트럼 함수에 의해 설명되어 A (K, ω). 이 기능은 직접 알버트 아인슈타인은 1921 년 다시 노벨상을받은의 설명을 들어, 잘 알려진 광전 효과에 따라 실험에서 측정 할 수 있습니다. 광전 효과에서 빛이 표면에 빛났다는 자료에서 전자를 꺼냅니다. 아인슈타인에 따르면, 에너지 절약은 하나의 샘플 내부의 전자의 에너지를 결정 할 수있는 빛을 광자와 운동 나가는 광전자의 에너지 알려져 있습니다의 에너지를 제공했습니다. 운동량 보존의 momen에 관련된 K 추정 할도 가능하게광전자가 표면을 떠난에서 각도를 측정하여 광전자의 죽을 차례. 이 기법의 현대적인 버전이 각도 - 해결 Photoemission 분광법 (ARPES) 전화 전자 구조를 결정하기 위해 모두 절약 법을 악용하고 있습니다, 즉 에너지와 고체 내부의 전자의 운동량. 압축 된 물질 물리학의 주제 문제를 이해하기위한 중요한 세부 사항을 해결하기 위해 세 수량을 최소화 할 필요가 : 광자 에너지의 불확실성의 * photoelectrons 및 샘플의 온도의 운동 에너지 불확실성이 있습니다.
우리의 접근에서 우리는 싱크로트론 방사선, 표면 과학 및 저온 학 분야에서 세 최근 성과 조화를 이루고 있습니다. 우리는 조정할 광자 에너지는 1 meV, 1 meV의 순서의 정밀도로 운동 에너지를 감지 전자 에너지 분석기 및 그 세 그라 이오 스탯 대체의 순서의 불확실성에 기여과 싱크로트론 방사를 사용하여ich은 우리가 우리 시니어 2 RuO 4 다른 자료를 하나의 크리스털에 얻은 전형적인 결과를 토론 한 K. 아래의 샘플의 온도를 유지할 수 있습니다. 이 자료의 전자 구조는 전례없는 선명도를 결정 할 수 있습니다.
Introduction
현재 ARPES 널리 고체의 전자 구조를 결정하는 데 사용됩니다. 보통이 방법의 다른 변형은 전자를 자극하기 위해 필요한 방사선의 소스에 의해 정의됩니다. 우리는 다양한 에너지 범위의 양극화와 여기 광자 에너지를 조정 할 수있는 특별한 기회를 제공하며, 높은 강도, 작은 대역폭 (에너지 HN의 불확실성)에 의해 특징 때문에 싱크로트론 방사선을 사용하고 그것은 수집 좁은 빔에 집중 할 수 있습니다 마이크론의 몇 수십의 장소에서 photoelectrons. 싱크로트론 방사는 2 GeV의 순서의 에너지 링에 순환 전자는 강력한 자석 (undulators)의 정기적 인 일정을 통과 ** 강요 전자 저장 링에서 생성됩니다. 자기 필드는 전자를 편향하고 빠른 전자가 방향을 변경할 때 방사선을 방출. 정확히이 방사선 그 다음이 더 monochromatized되는 이른바 빔라인로 이동합니다회절 격자에 의한 여러 거울에 의한 샘플의 표면에 초점을 맞추 었습니다. 세계의 많은 같은 시설이 마련되어 있습니다. 우리의 최종 역은 Helmholtz-젠트 럼 베를린에 속해있는 베시 저장 링의 beamlines 중 하나에 위치하고 있습니다.
이 ARPES 시설의 핵심은 전자 에너지 분석기 (그림 1)입니다. 우리가 전자의 표면을 떠나는 운동 에너지와 각도 모두에 관심이 있기 때문에 하나의 측정을 탐지하는 것은 매우 편리합니다. 아주 간단한 원리는이 접근법 현실 있습니다. 따라서 공간 푸리에 변환, 초점 평면의 한 지점에 특정 각도로 표면을 왼쪽 전자 광학 렌즈 사업 전자를 (수행 뒤에 초점 평면에있는 점에 비행기 파도를 초점을 맞추고 광학 렌즈와 기본 실험에서와 같이 그림 1). 이러한 방법으로 우리는 상호, 즉 운동량, 공간에 대한 액세스 권한을. distan초점 평면에서 전진 방향에서 CE는 각도로하기 때문에 광전자의 모멘텀에 해당합니다. 이제 전자 에너지의 관점에서 분석해야합니다. 이러한 목적을 위해 반구형 분석기의 입구 슬릿은 전자 광학 렌즈의 초점면에 정확히 배치됩니다. 두 반구의 전압은 특정 운동 에너지 (에너지를 이동하세요) 만 전자는 두 반구와 2 차원 검출기의 중심 라인에 땅의 중간에 정확하게 안내 할 것 같은 선택됩니다. 빠른되는 분들은 가까운 바깥 쪽 반구에 검출기를 누르 것이다; 느린되는 사람들은 내부 반구으로 편향 될 것입니다. 이러한 방법으로 우리는 동시에 각도와 운동 에너지의 함수로 photoemission 강도 분포를 얻을 수 있습니다.
기존의 방법을 통해 우리의 접근 방식의 가장 큰 장점은 그 세 cryomanipulator의 사용이다. OU를 수행하는 적어도 두 가지 이유가 있습니다t 낮은 온도에서 측정. 재료의 높은 온도, 에너지와 운동량에가 전자 주에서 더 지저분 해 졌네. 확대이 온도는 피해야하는 높은 정밀도와 전자 구조를 결정합니다. 또한, 많은 물리적 특성은 낮은 온도와 시스템의 바닥 상태에있는 전자 구조의 지식, 즉 T에서 = 0, 기본 중요합니다에에 설정된 일부 주문 현상 온도에 따라 달라집니다. 켈빈의 에바에 예제를 아래로 냉각 할 수있는 가장 효과적인 방법 중 하나는 그에게 3 가스를 액화하는 것입니다. 하위 켈빈 온도에 도달 많은 실험 문제가되지 않습니다에서 열 방사선 때문에, 매우 낮은 온도의 주요 적은 효과적으로 차폐 할 수 있습니다. 불행하게도,이 photoemission 실험의 경우되지 않습니다. 우리는 들어오는 빛과 나가는 전자를위한 무료 액세스를 제공해야합니다. 이은 세 종족으로 특별히 고안된 슬릿에 의해 실현된다diation의 방패가 발생했습니다 다른 온도. 광 자력 빔, 룸 온도 방사선에 의한 열 부하를 보상하기 위해, 그라 이오 스탯의 냉각 능력은 매우 높은해야합니다. 이것은 차가운 손가락과 샘플을 냉각 액체 그는 3 위의 증기 압력을 줄일 두 펌프의 매우 큰 펌핑 속도에 의해 달성된다. 우리 그 3 시스템의 설계 사양은 가장 강력한 세계합니다. 그것은 아마도 하나가 "추운 표시", 객실 온도 창문을 통해 1 K 차가운 표면을 볼 수있는 지구상의 유일한 곳입니다.
현대적인 photoemission 실험의 스케치는 그림 1에 표시됩니다. 싱크로트론 빔 (점선 녹색 선) 샘플과 흥분의 photoelectrons의 한 K 차가운 표면을 켜집니다. 전자는 노란색, 자홍색 및 청록색 흔적이 differe에 대응 각도의 조건 (으로 정렬 반구형 분석기의 입구 슬릿에 예상 아르그리고 NT의 기울기 각도)과는 운동 에너지의 관점에서 분석하고 있습니다. 그림 2는 기울기 각도와 운동 에너지의 함수로 일반적인 농도 분포를 보여줍니다. 이 자료의 밴드 구조 계산과 비교 (오른쪽 패널)를 보여줍니다과 같은 강도 분포는 정말 기대됩니다. 이 상호 공간에 우리의 창입니다.
렌즈와 뇌에 전압을 스캔 및 수직 축 주위의 샘플을 돌려 (극 각도) 우리는뿐만 아니라 전례없는 정밀도와 상호 공간의 다양한 지역과 다양한 바인딩 에너지 범위를 탐색 할 수 있습니다. 특히, 틸트 및 극지 각도에서 계산 인 비행기 힘의 두 구성 요소의 함수로 Fermi 수준의 강도를 음모를 꾸미고, 우리는 Fermi 표면 (FS)에 직접 액세스 할 수 있습니다.
우리는 실험 수량이 '사실로 될 수 얼마나 멀리의 실험의 최고 추정치를 이해'불확실성 '에서 *값. "
8 GeV까지 - ** 낮은 에너지 링 ~ 0.8 GeV의 고 에너지 하나의 에너지를 할 수 있습니다.
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Protocol
1. 샘플 장착
- 이 실험은 Helmholtz-젠트 럼 베를린 (Berlin)의 베시 저장 링에서 생산 싱크로트론 방사선을 사용합니다. 광자는 샘플이 장착 된 우리의 최종 역 빔라인 여행을.
- 여기에 조사 할 물질의 단결정, 스트론튬의 ruthenate로 시작. 샘플 홀더에 접착제 샘플을에 실버 기반 에폭시를 사용합니다. 실버 기반 에폭시 좋은 열 및 전기적 접촉을 보장합니다.
- 접착제 단일 크리스탈의 표면에 알루미늄 위 소식입니다. 위 게시물은 atomically 깨끗한 표면을 노출 초 고진공에서 다니엘 샘플에 사용됩니다.
- 로드 록에있는 샘플 홀더를 탑재합니다.
2. 초고속 진공 및 열 절연을 달성
- 초고속 진공 챔버의 오염을 최소화하기 위해 부하 잠금을 철수 시작합니다.
- 압력을 모니터링 할 수 있습니다. -8 10 mbar의 압력이되면달성, 준비 챔버 어셈블리를 전송하고, 이후 주요 chamber.The 추위 손가락과 샘플 홀더에 특별히 헬륨 마리화나로 최선의 열 접촉을 보장하도록 설계되었습니다.
- 이 데모 버전이이 접촉의 영역을 높이기 위해 원뿔 표면을 사용하여 달성하는 방법을 보여줍니다. 원추 표면은 서로에 대해 가압되고 샘플 홀더와 차가운 손가락이 단단히 티타늄 너트와 볼트를 사용하여 제자리에 고정되어 있습니다.
3. 샘플 위치 및 냉각
- 다음 단계는 전송 팔을 사용하여 방위각을 따라 차가운 손가락 안에 방향 샘플에 있습니다. 챔버의 맞은 편에 첨부 된 지원 팔 counterforce을 적용하는 동안 너트를 강화하여 샘플의 위치를 수정합니다.
- 다니엘은 머니퓰레이터를 이동하여 샘플 상단 게시물이 지원 팔과의 상호 작용에 의해 제거 될 수 있도록 이상.
- 빔 셔터가 닫혀으로 속이는를 사용하여 빔라인의 위치로 샘플을 이동합니다. 샘플이 제자리에되면 cryoshields가 제대로 닫혀 있는지 확인하십시오.
- 1 K 냄비에 펌핑 시작하고 기본 온도로 샘플을 냉각하기 위해 헬륨-3 가스를 순환. 온도는 샘플에 가까운 측정하고 실험 기간 동안 변경되지 않습니다.
- 빔라인의 빔 셔터를 엽니 다. 이 분석기 렌즈의 초점을 위에 오도록 샘플의 위치를 조정하는 장치에 마이크로 미터 나사를 사용하십시오. 이 조정은 매우 중요합니다.
4. 데이터를 수집
- 설치가 준비되면, 분석기의 각도 - 해결 모드로 전환 휩쓸 모드에서 스펙트럼을 기록합니다. 이 2 차원 에너지 각도 플롯에 대한 데이터를 생성합니다.
- 데이터를 사용 Fermi 표면지도를 구성합니다. supe 연구에 대한 Fermi 수준의 횡단에 해당하는 극 각도를 선택하십시오스트론튬의 ruthenate의 격차를 rconducting.
- 스트론튬의 초전도 전이 온도 위 아래 선택된 극성 각도에서 기록 고해상도 스펙트럼은 초전도 갭의 동작을 조사 ruthenate.
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Representative Results
빔라인 및 분석기의 높은 해상도와 함께 우리의 설치의 초저 온도는 우리가 매우 높은 전체 해상도 스펙트럼을 기록 할 수 있습니다. 이것은 그림 3에 도시된다. 에너지 해상도의 일반적인 시험은 금속의 Fermi 가장자리의 폭을 측정하는 것입니다. 이 경우는 신선한 증발 인듐 영화입니다. 정확하게 가장자리를 설명하는 스텝 기능을 복잡한 경우 가우스의 절반 최대의 전체 폭 (FWHM)은 2 meV의 순서입니다. 고체의 낮은 에너지 전자 구조에 대한 자세한 연구에 대한 더 많은 중요성을 분산 기능의 각도 - 해결 스펙트럼입니다. 이러한 예는 그림 3의 중앙 패널에 표시됩니다. 매우 날카로운 초전도 피크는 어느 ARPES에 의해 검출 된 날카로운 기능 중 하나를 대표하는 철 기반의 초전도의 LiFeAs 1 관찰된다. 동일한 추진력 확인을 위해 보유하고 있습니다. 0.23 °의 FWHM는 r이된다전자 에너지 분석기의 넓은 각 모드에 대한 ecord 값입니다. 이 시스템은 세 개의 성과 빔라인 1 meV 대역폭, 분석기 1 meV 해상도와 샘플 1 K 온도를 결합하도록 설계되었습니다. 이 목표는 시스템 "1-cubed ARPES"로 이름을 주었다. 모든 세 가지 구성 요소가 최소화 된 경우, 하나는 FWHM ~ 1.4 meV을 기대합니다. 현재 측정은 2 meV의 순서의 전체 해상도가 달성 될 수 있다고 보여줍니다.
또 다른 대표 그 결과이 물질이 흥미로운 물리적 특성의 다양한 스펙트럼을 가진 잘 알려진 산화입니다 임계 온도 1.35 K.있는 초전도 시니어 2 RuO 4의 전자 구조에 대한 조사입니다. 이 cuprates이 후 첫 발견 초전도 산화물했다. 의 초전도 상태가 이상한 것입니다 : 쌍으로 연결된 전자는 같은 방향의 핑핑 있습니다. 이것은 소위 삼 인승의 초전도입니다. 이 STI붙인다는 잘 이해하고 주요 문제는 초전도 주문 매개 변수의 대칭을 정의하는하지 않습니다 남아 있습니다. ARPES에 대한 정확한 작업 - 그렇게하기 위해, 초전도 에너지 갭은 운동량에 따라 결정해야합니다. 초전도에 필요한 이러한 낮은 온도 전에 photoemission 실험에 액세스 할 수 없다는 있기 때문에이 문제를 해결 할 수 없습니다이었다. 여기이 작업을 수행하려는 시도를합니다. 우선, 하나는 Fermi 표면을 결정해야합니다. 이러한 목적을 위해 우리는 서로 다른 극 각도에 많은 상처를 기록했습니다. 그들 중 일부는 그림 4에서 그림에 표시됩니다. 우리가 Fermi 수준의 주변에만 강도를 고려하고 두 각도의 함수로 주술다면, 우리는 Fermi momenta, 즉 Fermi 표면지도의 궤적을 얻을 수 있습니다. 이러한 Fermi 표면지도는 계산 Fermi 표면 세와 함께 그림 5에 표시됩니다. 계약 아주 좋은,하지만 실험입니다데이터는 더 많은 기능을 보여줍니다. 그들 중 일부는 예상치 못한, 4 특이한합니다. 이제 우리는 초전도 갭을 측정하기 위해 시도 할 수 있습니다. 이를 위해 우리는 임계 온도 위 아래의 스펙트럼을 기록해야 그림 6에서 예를 들면 1.35 K. 우리는 스펙트럼의 이러한 쌍을 보여줍니다. 우리는 실제로 에너지 갭의 개방과 호환 변화를 관찰,하지만 현재의 에너지 해상도 (또는 아마도 또한 샘플의 표면에서 높은 잘 될 수있는 온도) 우리는 같은 명확한 결론을 그릴 수 없습니다 시니어 2 RuO 4의 에너지 차이에 대한.
그림 1. 실험 설정의 도식.
그림 2. 왼쪽 패널. 시험운동 에너지와 각도의 함수로 photoemission 강도 분포의 ple. 고체의 밴드 구조를 직접 볼 수있다. 오른쪽 패널. 같은 소재의 밴드 구조 계산의 결과는. 이론 데이터는 5에서 이동합니다.
그림 3. 갓 증발 인듐 영화. 중순 패널의 실험 최종 스테이션을 갖추고 있습니다. 왼쪽 패널. Fermi 가장자리의 성능. LiFeAs의 초전도 샘플의 에너지 분포 곡선 (EDC). 데이터는 1 일부터 이동합니다. 오른쪽 패널. ZrTe 3 Fermi 수준의 운동량 분포 곡선 (MDC). 시스템의 예상 전체 에너지 해상도는 식 (1K = 0.0862 meV)에 의해 표시됩니다. 실제 perfo시스템의 rmance은 우리가 처음에 목표로 한 매우 가깝습니다. 더 큰 그림을 보려면 여기를 클릭하십시오 .
시니어 2 RuO 4 가지 극 각도 (단계 10)로 기록 그림 4. 에너지 운동량 인하는. 큰 그림을 보려면 여기를 클릭하십시오 .
그림 5. 시니어 2 RuO 4 Fermi 표면지도는 선형 편광 80 EV를 사용하여 촬영~ 1K의 빛. 큰 그림을 보려면 여기를 클릭하십시오 .
6 그림. 시니어 2 RuO 4의 초전도 갭을 공부 찍은 A, B 전형적인 스펙트럼. 빨간색 화살표는 하나의 에너지 분포 곡선 (EDC)에 해당하는 추진력을 나타냅니다. T = 970 MK. C, 통합 EDC의 첨단의 d 개의 시프트. 운동량 창은 빨간색 화살표의 폭으로 표시됩니다. 간격은 FS의 다른 지점에서 온도의 함수로 KF EDC의 BZ 대각선. 전자 Shift 키 근처의 밴드에 FS 지점에 해당합니다. 주변에서 최첨단의 바인딩 에너지의 F 일반적인 온도 동작 이 FSS을 건너고.
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Discussion
위에 표시된 바와 같이, 구현 방법은 단일 결정의 낮은 에너지 전자 구조를 연구에 매우 효율적입니다. 최근 수단 개선 정교한 많은 몸 분광법에 불과 특성화 및 대역 매핑 도구에서 ARPES을 실현 해 나가고 있습니다. 현대적인 실험은 정밀의 새로운 수준 고체 또는 나노 물체의 전자 구조에 대한 정보를 제공합니다. 금속의 경우 Fermi 표면에 대한 액세스, 반도체와 절연체, 그들의 표면 상태, 밴드 구조와 추진력에 의존 Fermi의 속도의 에너지 갭은 하나는 일반적인 수준의 전자 구조를 특징 할 수 있습니다. 따라서 AB-initio 계산 수율 대역폭 및 Fermi 속도 renormalizations과와 비교는 상관 관계의 강도의 측면에서 자료의 복잡성을 결정합니다. Fermi 수준 근처에 좋은 구조는 종종 전기 사이의 상호 작용의 지문을 감지 할 수있는 가능성을 제공합니다NS와 phonons, plasmons 같은 자유의 다른도는 스핀 - 변동 등 체계적인 추진력에 의존 연구는 초전도체 나 밀도 웨이브 시스템에서 페어링 중재자 예를 들어, 지배적 인 상호 작용과 싱글 아웃을 식별 할 수 있습니다. 더 철저한 조사 따라서 기존의 이론이나 근본적인 수준에서 자극 새로운 접근 방식에 대한 중요한 시험을 제공 주문 매개 변수의 대칭의 결정을 포함한다.
모든 실험 방법에서와 같이, 특정 단점이 있습니다. 그것은 따라서 상대적으로 짧은 탄성을 갖는 것은 무료 경로를 뜻 photoelectrons가 강력하게 크리스탈 내부에 흩어져있는 것을 알려져 있습니다. 그 결과, 탈출 깊이는 여러 격자 상수로 다운 매우 작은 수 있습니다. 이 표면에 방법의 감도를 정의하고 어떤 경우에는 표면의 전자 구조는 대량 6에서 정말 다릅니다. 그러나, ARPES이 상황을 모니터링하기 위해 여러 도구를 제공합니다. 일 중 하나그들이 다양한 여기 광자 에너지를 사용하는 것입니다. 앞서 언급 된 바와 같이, 주어진 광자 에너지에 대해 또한 표면에 운동량 수직의 구성 요소를 추정 할 수 있습니다. 하나는 절대 K Z와 해당 운동량 해결 방법이 수량의 불확실성을 제공을 결정 할 수 ARPES 스펙트럼에 정기적으로 구조를 관찰했다. 이러한 방법으로 탈출 깊이의 실험 값은 불확실성의 원리 δ의 K Z * δ Z ~ 1에서 추정 할 수 있습니다. 방법의 표면 감도를 제어 할 다음 도구는 빛의 편광 변수입니다. 그것은 circularly 편광을 사용하면이 표면과 photoemission 신호 7 대량 공헌을 구별하는 것이 가능하다는 것을 이전 증명되었다. 싱크로트론 광원에 의해 전달 다양한 polarizations과 광자 에너지를 사용하는 또 다른 장점은의 가능성이스펙트럼 함수의 진정한 기능의 매트릭스 요소 효과를 풀다. 매트릭스 요소는 추진력 공간과 ARPES의 스펙트럼의 8-10의 오해에서 결과의 특정 지역에서 photoemission 신호를 억제 할 수있는 전환 확률입니다.
물론, 방법은 현장에서 다니엘에게 어려운과 atomically 깨끗하고 평평한 표면을 얻을 강하게 3D 자료, 매우 적합하지 않습니다. 보내는 전자의 자속이 샘플 홀더 11 전기 접촉에 의해 보상 할 수 없기 때문에이 발생하는 충전 보상 할 필요가 있기 때문에 마지막으로, 절연체에 ARPES이 훨씬 더 복잡합니다.
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Disclosures
관심 없음 충돌이 선언 없습니다.
Acknowledgments
우리는 굉장히 Rolf Follath, 롤랜드 Hübel, K. Möhler, 드미트로 Inosov, 요 르그 핑크, 안드레아스 Koitzsch, 번드 Büchner, 안드레이 Varykhalov, 에밀 Rienks, 올리버 Rader, Setti Thirupathaiah, 데니스 Vyalikh, 세르게이 Molodtsov, 클레멘스 Laubschat, 라모나의 도움을 인정 베버의 "1-cubed"프로젝트를 구상 헤르만 Dürr, 볼프강 Eberhardt, 기독교 정, 토마스 Blume, 게르트 Reichardt, 데이빗 Batchelor, 카이 Godehusen, 마틴 Knupfer, 스테판 Leßny, 더크 Lindackers, 스테판 Leger, 랄프 Voigtländer, 로니 Schönfelder, 설계, 건설 및 빔라인 및 최종 역뿐만 아니라 제공 조직과 사용자 지원을 의뢰했다.
이 프로젝트는 "1-cubed ARPES는"BESSYII와 IFW-Dresden의에 의해뿐만 아니라 직접으로 BMBF 부여 "최고 해상도 ARPES"의 지원을받는되었습니다. 이 특별한 작품은 DFG 우선 순위 프로그램 SPP1458에 의해 지원되었습니다 ZA 654/1-1, BO1912/3-1 및 BO1912/2-2을 부여합니다. EC 및 배럴 일여행 자금을위한 요하네스 버그 대학에서 학부를 ank. 엄마 - AV, RF 및 MC는 보조금 협정 N. 264,098 아래에있는 EU -FP7/2007-2013의 지원을 인정합니다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Single crystals of ZrTe3 and TiSe2 | grown by Dr Helmut Berger, EPFL, Lausanne | ||
| Single crystals of Sr2RuO4 | grown by the group of Dr Antonio Vecchione | ||
| SAMPLES ZrTe3, TiSe2, Sr2RuO4 |
|||
References
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