Experimentele methoden voor Spin - en hoek-opgelost Photoemission spectroscopie gecombineerd met polarisatie-variabele Laser

Spin en hoek-opgeloste foto-emissiespectroscopie, de zogenaamde SARPES, is een krachtige techniek om elektronenstructuren in de vaste toestand te onderzoeken, inclusief hun spininformatie. In onze methode combineren we deze techniek met de polarisatie-variabele 7-eV laser, waardoor we de elektronenspinstructuren zeer nauwkeurig kunnen bepalen. SARPES werd algemeen uitgevoerd met synchrotronstraling of een edelgasontladingslamp.

In vergelijking met deze methode is het gebruik van een polarisatie-variabele 7-eV laser een grote verbetering. De polarisatie met de laserstraal kan eenvoudig worden geregeld met behulp van de golfplaat. Door gebruik te maken van deze eigenschap kunnen we het gedrag van elektronenspin volledig traceren, die gevoelig is voor de lichtpolarisatie.

De spinreactie van het foto-elektron hangt af van de lichtpolarisatie. En dat toont veel fysische betekenissen zoals spin-orbit koppeling en spin-interferentie. Om deze reden kan onze techniek geleidelijk worden gebruikt voor het bestuderen van gecondenseerde materie fysica.

Om te beginnen, snijdt u enkele kristalmonsters van bismutselenide en gebruikt u een zilver-gebaseerde epoxy om ze op een monsterhouder te lijmen. Zodra de epoxy is uitgehard, plaatst u een stuk plakband op het oppervlak van de monsters. Breng vervolgens het monstersmagazine over in de ultrahoge vacuüm laadvergrendeling en start de pomp totdat de druk van de laadvergrendeling lager is dan een keer tien tot de negatieve vijf pascal.

Open vervolgens de ultrahoge vacuümklep tussen de laadvergrendeling en de voorbereidingskamer en verplaats het monstersmagazine van de laadvergrendeling naar de voorbereidingskamer, met behulp van het doorvoermechanisme dat aan de laadvergrendelingskamer is bevestigd. Gebruik nu een overdrachtsstaaf om het monster uit het monstersmagazine te halen en plaats vervolgens het monstersmagazine terug in de laadvergrendeling en sluit de ultrahoge vacuümklep. Wacht tot de druk van de voorbereidingskamer onder de vijf keer tien tot de negatieve zeven pascal is en trek vervolgens het plakband van het oppervlak van het bismutselenide af met behulp van de wobble stick in de voorbereidingskamer.

Dit zal het monster splitsen en een atoomschone oppervlakte produceren. Breng het monster over naar de UHV-meetkamer. Gebruik daar een schroevendraaier om het monster op de hoofdgoniostadium te bevestigen.

Beweeg vervolgens de stage naar de meetpositie en gebruik een micrometerstadium om het monster nauwkeurig op het focuspunt van de spectrometer te plaatsen. Schakel vervolgens de met neodymium gedopte yttrium orthovanadate laser in en laat deze tien tot 15 minuten opwarmen. Open de laserstroomklep en zorg ervoor dat de laser door een kalium beryllium fluoroboraat kristal gaat om een tweede harmonische golf van 177 nanometer te genereren.

Optimaliseer het vermogen van de zeven elektronvolt laser, door het vermogen van de 355 nanometer laser te veranderen met behulp van een variabele attenuator. Open eerst de analyseercontrolesoftware. Selecteer in het volgordemenu setup en kies vervolgens ARPES configuratie en ARPES mapping in de lijst, om Fermi oppervlakte mapping uit te voeren met de foto-elektron afbuiger.

Klik op bewerken en configureer de Fermi oppervlakte mapping zodat de emissiehoek varieert van 12 graden tot 12 graden met de stapgrootte van 0,5 graden en 49 voor het aantal stappen. Eenmaal ingesteld, ga terug naar het volgordemenu en selecteer uitvoeren. De hemisferische analyzer heeft een elektronenafbuiger waardoor we de Fermi oppervlakte kunnen mappen zonder het monster te roteren.

Verander handmatig de machine-instelling voor spin en hoek-opgeloste foto-emissiespectroscopie meting. Dit omvat het wijzigen van zowel de analyseerinlaatspleten als de apertuurgrootte. Selecteer in de software setup en kies spin configuratie en normaal uit de lijst met opties en klik op oké.

Selecteer vervolgens DA30 op de menubalk en navigeer naar controle theta. Dit zal het instellingspaneel voor de DA30 hoekconfiguratie openen. Kies in het paneel de emissiehoek voor theta x om negatief zes graden te zijn, en voor theta y om nul graden te zijn.

Gebruik vervolgens een opdrachtprompt om het magnetische veld toe te passen door de bipolaire condensatorbank te regelen. Dit zal het v-leaddoel magnetiseren in de positierichting langs de x-, y- of z-as. Eenmaal ingesteld, klikt u op uitvoeren om het intensiteitsspectrum te nemen.

Breng vervolgens een magnetisch veld aan om het v-leaddoel in de negatieve richting langs de as te magnetiseren en voer de scan uit om een ander intensiteitsspectrum te nemen. Wanneer u klaar bent, berekent u de spin-polarisatie en de spin-opgeloste spectra. Gebruik de opdrachtprompt om de stapmotor aan te drijven om de hoek van de halfgolfplaat nauwkeurig te veranderen om de lichtpolarisatie van de zeven elektronvolt laser af te stemmen.

Neem vervolgens de spin-opgeloste spectra voor elk van de x-, y- en z-assen. Scan de spin-opgeloste spectra als functie van de lichtpolarisatie, terwijl u de hoek van de halfgolfplaat varieert van nul graden tot 102 graden met een stapgrootte van drie graden. Bismutselenide is een prototypische topologische isolator met spin-gepolariseerde oppervlaktetoestanden.

De verkregen Fermi oppervlakte kaart van de oppervlaktetoestand in bismutselenide, toont een bijna cirkelvormige vorm. Voer vervolgens bandmapping uit langs de hoogsymmetrielijn. Het toont de X-vormige energiedispersie, de zogenaamde Dirac-kegel.

Uit deze resultaten kan men nu de specifieke emissiehoek kiezen voor het SARPES-experiment. Bij het nemen van een theta x gelijk aan negatief zes graden en theta y gelijk aan nul graden over negatief kF van de oppervlakteband, pieken de energieverdelingscurven voor verschillende magnetisatierichtingen in intensiteit nabij de Fermi-energie. De intensiteiten in de twee spectra zijn verschillend nabij de piek.

Uit het verschil tussen hun intensiteiten kan men de spin-polarisatie berekenen als functie van de energie en de spin-opgeloste spectra. Blijkbaar heeft het up spin spectrum een piekstructuur, maar het down spin spectrum is relatief plat. Dit weerspiegelt de bijna 100% spin-polarisatie.

Bij het nemen