울트라 낮은 온도에서 각도 - 해결 Photoemission 분광법

요약

이 방법의 전반적인 목표는 싱크로트론 방사와 각도 - 해결 Photoemission 분광법을 사용하여 매우 낮은 온도에서 고체의 낮은 에너지 전자 구조를 결정하는 것입니다.

초록

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.

서론

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....

프로토콜

1. 샘플 장착

1. 이 실험은 Helmholtz-젠트 럼 베를린 (Berlin)의 베시 저장 링에서 생산 싱크로트론 방사선을 사용합니다. 광자는 샘플이 장착 된 우리의 최종 역 빔라인 여행을.
2. 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.
3. 접착제 단일 크리스탈의 표면에 알루미늄 위 소식입니다. 위 게시물은 atomically 깨끗한 표면을 노출 초 고진공에서 다니엘 샘플에 사용됩니다.
4. 로드 록에있는 샘플 홀더를 탑재합니다.

2. 초고속 진공 및 열 절연을 달성

1. 초고속 진공 챔버의 오염을 최소화하기 위해 부하 잠금을 철수 시작합니다.
2. 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.
3. 이 데모 버전이이 접촉의 영역을 높이기 위해 원뿔 표면을 사용하여 달성하는 방법을 보여줍니....

결과

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........

토론

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 중재.......

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
시약 / 재료의 이름	회사	카탈로그 번호	코멘트
ZrTe 3 TiSe 2 싱글 결정			박사 헬무트 버거, EPFL, 로잔 (Lausanne)에서 성장
시니어 2 RuO 4 단일 결정			박사 안토니오 Vecchione의 그룹에 의해 성장
			샘플 ZrTe 3, TiSe 2, 시니어 2 RuO 4