والهدف العام لهذه الطريقة هو تحديد هيكل منخفض الطاقة الالكترونية من المواد الصلبة في درجات الحرارة المنخفضة جدا باستخدام التحليل الطيفي زاوية-حل مع إصدار ضوئي الإشعاع السنكروتروني.
يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية
مقالة منهجية
زاوية التحليل الطيفي إصدار ضوئي في حل درجات الحرارة المنخفضة جدا
في هذه المقالة
ملخص
الملخص
يتم تعريف الخصائص الفيزيائية للمادة من هيكلها الإلكترونية. وتتميز الإلكترونات في المواد الصلبة من الطاقة (ω) والزخم (ك)، واحتمال للعثور عليهم في دولة معينة مع ω معين ويوصف ك بواسطة الدالة الطيفية A. (ك، ω) ويمكن قياس هذه الوظيفة مباشرة في تجربة تعتمد على تأثير الكهروضوئي المعروفة، لتعليل ألبرت أينشتاين الذي حصل على جائزة نوبل في عام 1921. في ضوء التأثير الكهروضوئي أشرق على سطح إخراج الإلكترونات من مادة. وفقا لآينشتاين، والحفاظ على الطاقة يسمح احد لتحديد طاقة الإلكترون داخل العينة، وفرت طاقة الفوتون الضوء والطاقة الحركية للالضوئية الصادرة المعروف و. حفظ الزخم يجعل من الممكن أيضا أن تقدير ك ربطها مؤمنتوم الضوئية من خلال قياس الزاوية التي على اليسار الضوئية السطح. يسمى نسخة حديثة من هذه التقنية زاوية التحليل الطيفي إصدار ضوئي-حل (ARPES) ويستغل كل قوانين الحفظ من أجل تحديد هيكل الالكترونية، أي الطاقة والزخم من الالكترونات داخل الصلبة. من أجل حل حاسم لفهم تفاصيل المشاكل الموضعية للفيزياء المادة المكثفة، وثلاث كميات تحتاج إلى أن يكون الحد الأدنى: * عدم اليقين في طاقة الفوتون، وعدم اليقين في الطاقة الحركية من الالكترونات الضوءيه ودرجة حرارة العينة.
في نهجنا ونحن الجمع بين ثلاثة إنجازات الأخيرة في مجال الإشعاع السنكروتروني العلوم السطح، وفيزياء درجات الحرارة المتدنية. نستخدم السنكروترون الإشعاع مع الانضباطي طاقة الفوتون المساهمة في عدم التيقن من أجل من 1 إلكترون فولت، محلل الطاقة الإلكترون الذي يكتشف الطاقات الحركية مع دقة من أجل من 1 إلكترون فولت ومنذ 3 WH ناظم البردالتراث الثقافي غير المادي يسمح لنا للحفاظ على درجة حرارة العينة أقل من 1 K. نناقش النتائج التي تم الحصول عليها على بلورات نموذجية واحدة من SR-2 RuO 4 و بعض المواد الأخرى. يمكن تحديد التركيب الإلكتروني لهذه المواد مع وضوح لم يسبق لها مثيل.
المقدمة
يستخدم بشكل واسع في الوقت الحاضر ARPES لتحديد التركيب الإلكتروني للمواد الصلبة. عادة، يتم تعريف أشكال مختلفة من هذه الطريقة من قبل مصدر الإشعاع اللازمة لإثارة الإلكترونات. نستخدم السنكروترون الإشعاع لأنه يقدم فرصة فريدة لضبط الاستقطاب وطاقة الفوتون الإثارة في مجموعة واسعة الطاقة ويتميز كثافة عالية، عرض النطاق الترددي صغيرة (HN عدم اليقين في الطاقة)، ويمكن أن تركز على حزمة ضيقة لجمع الالكترونات الضوءيه من بقعة من بضع عشرات من ميكرون. يتم إنشاء السنكروترون الإشعاع في حلقات التخزين الإلكترون مما اضطر الإلكترونات تدور في حلقة مع الطاقة من أجل من 2 جيف ** لتمرير من خلال ترتيبات للمغناطيس قوي الدوري (undulators). المجال المغناطيسي ينحرف الإلكترونات الإلكترونات بسرعة وعندما مثل تغيير اتجاهها تنبعث من الإشعاع. بالضبط ثم توجه هذه الإشعاعات إلى ما يسمى beamline حيث monochromatized كذلكمقضب الحيود من قبل، وركزت على سطح العينة بواسطة المرايا عدة. هناك العديد من هذه المرافق في جميع أنحاء العالم. يوجد لدينا محطة نهاية في واحد من beamlines من الحلبة التخزين بيسي الذي ينتمي إلى برلين هيلمهولتز-ZENTRUM.
قلب هذا المرفق ARPES هو محلل الطاقة الإلكترون (الشكل 1). منذ ونحن مهتمون في مجال الطاقة على حد سواء الحركية والزاوية التي تترك الإلكترونات السطح، وأنها مريحة جدا لكشفها في واحدة القياس. مبدأ بسيط جدا يجعل هذا النهج إلى واقع. كما هو الحال في التجربة الأساسية مع عدسة بصرية، والذي يركز موجة الطائرة في نقطة في المستوى البؤري الخلفي أداء بالتالي المكانية فورييه التحول، الإلكترون البصرية عدسة مشاريع الإلكترونات التي تترك السطح في زاوية خاصة لنقطة في المستوى البؤري ( الشكل 1). في مثل هذه الطريقة ونحن الحصول على الزخم، أي المعاملة بالمثل، والفضاء. وdistanم من الاتجاه إلى الأمام في المستوى البؤري يتوافق مع زاوية وبالتالي على زخم الضوئية. الآن يجب أن تكون الإلكترونات تحليل من حيث الطاقة. لهذا الغرض يتم وضع فتحة مدخل محلل نصف كروية تماما في المستوى البؤري للعدسة البصرية الإلكترون. ويتم اختيار الفولتية على نصفين بحيث سيتم توجيه الإلكترونات فقط مع الطاقة الحركية معين (تمرير الطاقة) بالضبط في منتصف نصفين والأرض على خط وسط لكشف ثنائية الأبعاد. وتلك التي هي أسرع ضرب كاشف أقرب إلى نصف الكرة الخارجي، وسيتم نحيد تلك التي تكون أبطأ نحو نصف الكرة الداخلية. في مثل هذه الطريقة يمكن أن نحصل على توزيع كثافة إصدار ضوئي بوصفها وظيفة من الطاقة الحركية وزاوية في وقت واحد.
والميزة الرئيسية لنهجنا القائم على الطرق هو استخدام cryomanipulator 3 و. هناك سببين على الأقل لتنفيذ أوور القياسات في درجات الحرارة المنخفضة. وارتفاع درجة حرارة المواد، وأكثر من طخت الولايات الإلكترونية أصبحت في الطاقة والزخم. لتحديد التركيب الإلكتروني مع دقة عالية درجة الحرارة هذه لابد من توسيع تجنبها. أيضا، العديد من الخصائص الفيزيائية تعتمد درجة الحرارة، وبعض الظواهر المحددة في ترتيب في درجات الحرارة المنخفضة ومعرفة التركيب الإلكتروني في الحالة الأرضية للنظام، أي في T = 0، تعتبر ذات أهمية جوهرية. واحدة من أكثر الطرق فعالية لتهدئة العينة وصولا الى أعشار من كلفن هو لتسييل الغاز منذ 3. في العديد من التجارب التوصل إلى شبه كلفن درجة الحرارة ليست مشكلة، لأن الإشعاع الحراري، العدو الرئيسي للدرجات الحرارة المنخفضة جدا، ويمكن محمية على نحو فعال. للأسف، هذا ليس هو الحال في تجارب إصدار ضوئي. نحن بحاجة إلى توفير حرية الوصول للضوء واردة والإلكترونات الصادرة. ويتحقق ذلك من خلال الشقوق المصممة خصيصا في ثلاثة راdiation الدروع، وجود درجات حرارة مختلفة. من أجل التعويض عن الحمل الحراري الناجم عن شعاع الفوتون والإشعاع درجة حرارة الغرفة، وينبغي أن قوة التبريد للناظم البرد تكون عالية جدا. ويتحقق ذلك من خلال سرعة كبيرة جدا ضخ مضختين التي تقلل من ضغط البخار فوق السائل و3، وبالتالي تبريد الاصبع الباردة والعينة. مواصفات تصميم النظام لدينا 3 وجعله في مختلف أنحاء العالم أقوى. ربما يكون المكان الوحيد على وجه الأرض حيث يمكن مشاهدة سطح 1 K الباردة من خلال نافذة غرفة درجة الحرارة، و"أبرد مرئية".
يظهر رسم لإصدار ضوئي التجربة الحديثة في الشكل 1. شعاع السنكروترون (متقطع الخط الأخضر) تضيء سطح 1 K الباردة من العينة والالكترونات الضوءيه يثير. ومن المتوقع أن الإلكترونات إلى فتحة مدخل محلل نصف كروي، مرتبة من حيث زاوية (الأصفر والأرجواني والسماوي آثار تتوافق مع احويتم تحليل زوايا الخيمة NT) ثم من حيث الطاقة الحركية. ويبين الشكل 2 توزيع كثافة نموذجية بوصفها وظيفة من زاوية الخيمة والطاقة الحركية. ومن المتوقع بالفعل مثل هذا التوزيع كثافة والمقارنة مع هيكل الحسابات عصابة من هذه المواد تظهر (اللوحة اليمنى). هذا هو نافذتنا إلى الفضاء متبادلة.
عن طريق المسح الضوئي الفولتية على العدسة ونصفي الكرة الأرضية وتدوير العينة حول محور عمودي (زاوية القطبية) يمكننا استكشاف واسعة النطاق طاقة الربط وكذلك مناطق واسعة من الفضاء متبادلة مع التفاصيل لم يسبق لها مثيل. على وجه الخصوص، بالتآمر كثافة على مستوى فيرمي بوصفها وظيفة من كل مكونات الزخم في الطائرة، وتحسب من زوايا الخيمة والقطبية، لدينا إمكانية الوصول المباشر إلى سطح فيرمي (FS).
* تحت عنوان "عدم اليقين" نحن نفهم أفضل تقدير المجرب لمدى كمية تجريبية قد يكون من الصحيح "قيمة ".
ويمكن للخاتم ** المنخفضة الطاقة لديها طاقة من 0.8 ~ جيف، واحدة ذات الطاقة العالية - ما يصل إلى 8 جيف.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
البروتوكول
1. تركيب نموذج
- هذه التجربة يستخدم الإشعاع السنكروتروني التي تنتجها الحلقة التخزين بيسي من هيلمهولتز-ZENTRUM برلين. الفوتونات السفر beamline لمحطة نهايتنا حيث يتم تحميل عينة.
- تبدأ الكريستال واحد من المواد التي سيتم التحقيق فيها، هنا ruthenate السترونتيوم. استخدام الفضة على أساس الايبوكسي لالغراء العينة لصاحب العينة. والايبوكسي الفضة على أساس يضمن جيدة الاتصال الحرارية والكهربائية.
- الغراء مصنوع من الألومنيوم أعلى آخر إلى السطح من الكريستال واحدة. سيتم استخدام آخر أعلى لأخذ عينات من يلتصق فائقة في فراغ لفضح سطح نظيف بالذرة.
- تحميل صاحب العينة في القفل التحميل.
2. تحقيق فائق فراغ وعزل حراري
- بدء اخلاء قفل تحميل للحد من التلوث من فراغ الغرفة عالية جدا.
- مراقبة الضغط. وبمجرد ضغط من حوالي 10 -8 ميليبارتحقيق، ونقل الجمعية إلى الدائرة إعداد، ومن ثم إلى الاصبع الرئيسية chamber.The الباردة وحامل العينة تم تصميمها خصيصا لضمان اتصال أفضل وجه ممكن الحراري مع الهيليوم وعاء.
- هذه الإصدارات مظاهرة تبين كيف يتم تحقيق ذلك عن طريق استخدام الأسطح المخروطية لزيادة مساحة للإتصال به. يتم ضغط الأسطح المخروطية ضد بعضها البعض، ورسخت صاحب العينة والاصبع في مكان بارد باستخدام الجوز والترباس التيتانيوم.
3. تحديد المواقع وتبريد عينة
- الخطوة التالية هي عينة المشرق في الاصبع الباردة على طول الذراع باستخدام السمت النقل. إصلاح الموقف من العينة من خلال تشديد الجوز أثناء تطبيق قوة معادلة مع دعم الذراع تعلق على الجانب الآخر من الغرفة.
- يلتصق العينة عن طريق تحريك تتلاعب صعودا بحيث تتم إزالة الجزء العلوي من بعد التفاعل مع الذراع الداعمة.
- مع مصراع شعاع مغلقة، نقل العينة إلى موقف في beamline باستخدام مناور. مرة واحدة في العينة في مكان، تأكد من إغلاق cryoshields بشكل صحيح.
- بدء ضخ على القدر 1-K وتعميم غاز الهيليوم-3 وذلك لتبريد درجة حرارة العينة إلى قاعدة. وتقاس درجة الحرارة بالقرب من العينة ولن تتغير أثناء التجربة.
- فتح مصراع شعاع من beamline. استخدام مسامير ميكرومتر على جهاز لضبط الموقف من العينة بحيث يكون في بؤرة العدسة محلل. هذا التعديل أمر بالغ الأهمية.
4. جمع البيانات
- وبمجرد أن الإعداد هو على استعداد، والتحول إلى وضع الزاوية حل للمحلل وتسجيل الطيف في وضع اجتاحت. وهذا توليد البيانات لقطع الطاقة الزاوية ثنائي الأبعاد.
- بناء خريطة سطح فيرمي باستخدام البيانات. حدد الزوايا القطبية التي تتوافق مع مستوى فيرمي المعابر لدراسة سوبrconducting فجوة ruthenate السترونتيوم.
- سجل الأطياف عالية الدقة في زوايا القطبية اختيار فوق وتحت درجة حرارة التحول فائق التوصيل من السترونتيوم ruthenate للتحقيق في سلوك الفجوة فائقة التوصيل.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
النتائج
درجات الحرارة منخفضة للغاية من الإعداد لدينا مع ارتفاع القرار من beamline ومحلل يسمح لنا لتسجيل الأطياف لقرار العام عالية جدا. ويتضح ذلك في الشكل 3. الاختبار المعتاد من القرار هو قياس الطاقة عرض حافة فيرمي من المعدن. في هذه الحالة هو فيلم الإنديوم تبخرت طازجة. العرض الكامل في أقصى نصف (FWHM) من التمويه، والتي عندما معقد مع وظيفة خطوة يصف بدقة الحافة، هو من أجل من 2 إلكترون فولت. أكثر أهمية لدراسات مفصلة للهيكل الإلكترونية منخفضة الطاقة من المواد الصلبة هو الطيف ال...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
المناقشة
كما هو مبين أعلاه، وطريقة تنفيذ فعال جدا في دراسة هيكل منخفض الطاقة الالكترونية من هذه البلورات. حولت التحسينات الأخيرة دور فعال ARPES من مجرد توصيف ورسم الخرائط أداة النطاق الطيفي في العديد من الجسم متطورة. A التجربة الحديثة يتضمن معلومات عن هيكل الالكترونية من المواد الصلبة أو نانو مع وجوه مستوى جديد من الدقة. وصول إلى السطح فيرمي في حالة وجود المعدن والثغرات الطاقة من أشباه الموصلات والعوازل، الولايات سطحها، والهياكل الفرقة وتعتمد السرعات الزخم فيرمي يسمح احد لوصف هيكل الالكترو...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
الإفصاحات
الإعلان عن أي تضارب في المصالح.
شكر وتقدير
نحن نعترف بامتنان مساعدة من Follath رولف، Hübel رولاند، مولر K.، Inosov دميترو، فينك يورغ، Koitzsch أندرياس، بوخنر بيرند، Varykhalov اندريه اميل Rienks، أوليفر ريدر، Thirupathaiah Setti، Vyalikh دينيس، سيرغي Molodtsov، Laubschat كليمنس، رامونا ويبر، هيرمان الدر، إيبرهارت فولفغانغ يونج المسيحية، بلوم توماس، Reichardt جيرد، باتشيلور ديفيد، Godehusen كاي، Knupfer مارتن، Leßny ستيفان، Lindackers ديرك، ليجيه ستيفان، Voigtländer رالف، Schönfelder روني، الذي ابتكر "1-مكعبة" مشروع وتصميمها وبناؤها وكلف beamline ومحطة نهاية، فضلا عن توفير الدعم التنظيمي والمستخدم.
مشروع "1-مكعبة ARPES" تم بتمويل من منحة BMBF "ARPES أعلى دقة"، وكذلك مباشرة من قبل BESSYII وIFW دريسدن. وأيد هذا العمل من قبل برنامج معين الأولوية DFG SPP1458، يمنح ZA 654/1-1، وBO1912/3-1 BO1912/2-2. EC وال BPDعنخ كلية العلوم في جامعة جوهانسبرغ للتمويل السفر. AV، RF وMC الاعتراف بدعم من الاتحاد الأوروبي في إطار اتفاق -FP7/2007-2013 منحة N. 264098 - MAMA.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
المواد
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| اسم الكاشف / المواد | شركة | كتالوج رقم | تعليقات |
| واحد من بلورات ZrTe 3 و 2 TiSe | الدكتور هيلموت نمت بيرغر، EPFL في لوزان | ||
| واحد من بلورات 2 ريال RuO 4 | نمت من مجموعة الدكتور أنطونيو Vecchione | ||
| SAMPLES ZrTe 3، TiSe 2، SR-2 RuO 4 |
المراجع
- Borisenko, S. V. One-Sign Order Parameter in Iron Based Superconductor. Symmetry. 4, 251-264 (2012).
- Maeno, Y., Hashimoto, H., Yoshida, K., Nishizaki, S., Fujita, T., Bednorz, J. G., Lichtenberg, F. Superconductivity in a layered perovskite without copper. Nature (London). 372, 532(1994).
- Singh, D. J. Relationship of Sr2RuO4 to the superconducting layered cuprates. Phys. Rev. B. 52, 1358(1995).
- Zabolotnyy, V. B. Surface and bulk electronic structure of the unconventional superconductor Sr2RuO4: unusual splitting of the β band. New Journal of Physics. 14, 63039(2012).
- Stöwe, K., Wagner, F. Crystal Structure and Calculated Electronic Band Structure of ZrTe3. Journal of Solid State Chemistry. 138, 160-168 (1998).
- Zabolotnyy, V. B. Momentum and temperature dependence of renormalization effects in the high-temperature superconductor YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. B. 76, 064519(2007).
- Zabolotnyy, V. B. Disentangling surface and bulk photoemission using circularly polarized light. Phys. Rev. B. 76, 024502(2007).
- Kordyuk, A. A., Borisenko, S. V., Kim, T. K., Nenkov, K. A., Knupfer, M., Fink, J., Golden, M. S., Berger, H., Follath, R. Origin of the Peak-Dip-Hump Line Shape in the Superconducting-State (π,0) Photoemission Spectra of Bi2Sr2CaCu2O8. Phys. Rev. Lett. 89, 077003(2002).
- Inosov, D. S., Fink, J., Kordyuk, A. A., Borisenko, S. V., Zabolotnyy, V. B., Schuster, R., Knupfer, M., B?chner, B., Follath, R., D?rr, H. A., Eberhardt, W., Hinkov, V., Keimer, B., Berger, H. Momentum and Energy Dependence of the Anomalous High-Energy Dispersion in the Electronic Structure of High Temperature Superconductors. Phys. Rev. Lett. 99, 237002(2007).
- Inosov, D. S., Schuster, R., Kordyuk, A. A., Fink, J., Borisenko, S. V., Zabolotnyy, V. B., Evtushinsky, D. V., Knupfer, M., B?chner, B., Follath, R., Berger, H. Excitation energy map of high-energy dispersion anomalies in cuprates. Phys. Rev. B. 77, 212504(2008).
- Hüfner, S. Photoelectron Spectroscopy, Principles and Applications. , 2nd Edition, Springer Verlag. Heidelberg. (1996).
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
إعادة الطباعة والأذونات
الوسوم
