Summary
O objetivo geral deste método é determinar a estrutura de baixo de energia eletrônica de sólidos em ultra-baixas temperaturas usando ângulo resolvido espectroscopia de fotoelétrons com radiação síncrotron.
Abstract
As propriedades físicas de um material são definidos pela sua estrutura electrónica. Electrões em sólidos são caracterizados por energia (ω) e momento (k) e a probabilidade de encontrar em um estado particular com ω dado e k é descrito pela função espectral A. (K, ω) Esta função pode ser medido diretamente em uma experiência baseada no efeito fotoelétrico bem conhecida, para a explicação de que Albert Einstein recebeu o Prêmio Nobel em 1921. No efeito fotoeléctrico a luz brilhou sobre uma superfície ejecta electrões do material. De acordo com Einstein, a conservação da energia permite determinar a energia de um electrão no interior da amostra, na condição de a energia do fotão de luz e energia cinética do fotoelectrão de saída são conhecidos. Conservação do momento torna também possível estimar k relacionando-a com o momentum do fotoelectrão por medição do ângulo em que o fotoelectrão deixaram a superfície. A versão moderna da técnica é chamada de espectroscopia de fotoelétrons ângulo resolvido (ARPES) e explora tanto as leis de conservação, a fim de determinar a estrutura eletrônica, ou seja, energia e momento dos elétrons dentro do sólido. A fim de resolver os detalhes cruciais para a compreensão dos problemas específicos da física da matéria condensada, três quantidades precisam ser minimizados: * incerteza na energia do fóton, a incerteza em energia cinética de fotoelétrons e temperatura da amostra.
Em nossa abordagem, combinar três conquistas recentes no campo da radiação síncrotron superfície ciência e criogenia. Usamos radiação síncrotron com energia de fotões sintonizável contribuindo com uma incerteza da ordem de 1 MeV, um analisador de energia de electrões, que detecta as energias cinéticas com uma precisão da ordem de 1 MeV e um criostato Ele 3 which permite-nos manter a temperatura da amostra de menos de 1 K. Discutem-se os resultados obtidos em exemplares únicos cristais de Sr 2 RuO 4, e alguns outros materiais. A estrutura eletrônica deste material pode ser determinada com uma clareza sem precedentes.
Introduction
Hoje em dia ARPES é amplamente utilizada para determinar a estrutura electrónica de sólidos. Normalmente, diversas variações deste método são definidas pela fonte de radiação necessária para excitar os electrões. Usamos radiação síncrotron uma vez que oferece uma oportunidade única para ajustar a polarização e a energia dos fotões de excitação de uma vasta gama de energias, e é caracterizada pela alta intensidade, largura de banda reduzida (incerteza na energia hn) e pode ser focalizada para um feixe estreito de recolher fotoelectrões provenientes de um local de algumas dezenas de microns. Radiação síncrotron é gerada em anéis de armazenamento de electrões forçando electrões que circulam no anel com uma energia da ordem de 2 GeV ** para passar através de arranjos periódicas dos ímans fortes (undulators). O campo magnético desvia os elétrons e quando esses elétrons rápidos mudar sua direção eles emitem radiação. Exactamente esta radiação é então dirigido para a linha de luz assim chamada, onde é mais monocromáticapor uma rede de difracção e centrou-se na superfície da amostra por vários espelhos. Existem muitas dessas instalações em todo o mundo. Nossa estação final está localizado em uma das linhas de luz do anel de armazenamento BESSY que pertence à Helmholtz-Zentrum Berlin.
O coração desta facilidade ARPES é o analisador de energia de electrões (Figura 1). Como estamos interessados tanto em energia cinética e do ângulo em que os elétrons deixam a superfície, é muito conveniente para detectá-los em uma única medição. Um princípio muito simples torna essa abordagem uma realidade. Como numa experiência básica com uma lente óptica, que se concentra uma onda plana no ponto no plano focal posterior, assim, realizar a transformação de Fourier espacial, os projectos de lente óptica de electrões electrões que deixaram a superfície em ângulo particular, a um ponto no plano focal ( Figura 1). De tal forma que o acesso ao impulso, isto é recíproco, o espaço. O distance a partir da direcção para a frente, no plano focal corresponde ao ângulo e, portanto, para o impulso do fotoelectrão. Agora, os elétrons têm que ser analisados em termos de energia. Para este efeito, a fenda de entrada do analisador hemisférico é colocada exactamente no plano focal da lente óptica de electrões. Voltagens nos dois hemisférios são escolhidos de tal modo que apenas electrões com energia cinética particular (passar energia) será guiada exactamente no meio dos dois hemisférios e terra sobre a linha central do detector bidimensional. Aqueles que são mais rápidos atingirá o detector mais próximo do hemisfério exterior, aqueles que são mais lento será desviado para o interior do hemisfério. De tal modo que pode obter a distribuição de intensidade de fotoemissão como uma função da energia cinética do ângulo e simultaneamente.
A principal vantagem da nossa abordagem em relação aos métodos existentes é a utilização do He 3 cryomanipulator. Há pelo menos duas razões para levar a UOt as medições a temperaturas baixas. Quanto maior a temperatura do material, o mais esbatida os estados electrónicos tornaram em energia e quantidade de movimento. Para determinar a estrutura electrónica com elevada precisão esta temperatura alargamento tem de ser evitada. Além disso, muitas propriedades físicas dependem da temperatura, alguns fenômenos de ordenação estabelecidos em baixas temperaturas e do conhecimento da estrutura eletrônica no estado fundamental do sistema, ou seja, T = 0, é de fundamental importância. Uma das maneiras mais eficazes para resfriar a amostra até décimos de Kelvin é para liquefazer Ele 3 gás. Em muitas experiências que atingem temperaturas de sub-Kelvin não é um problema, uma vez que a radiação térmica, a principal inimigo do ultra-baixas temperaturas, pode ser protegido de modo eficaz. Infelizmente, isto não é o caso em experiências de fotoemissão. Precisamos oferecer acesso gratuito para a luz de entrada e saída de elétrons. Isto realiza-se por fendas especialmente concebidos em três raescudos mediação, com diferentes temperaturas. A fim de compensar a carga de calor provocada pelo feixe de fotões e de temperatura ambiente de radiação, o poder de refrigeração do criostato deve ser muito alta. Isto é conseguido pela velocidade muito grande de bombeamento das duas bombas, que reduzem a pressão de vapor acima do líquido Ele 3, arrefecendo o dedo frio e amostra. As especificações do projeto do nosso Ele 3 sistema torná-lo o mais poderoso no mundo. É talvez o único lugar do planeta onde se pode ver uma superfície fria 1 K através de uma janela temperatura ambiente, o "mais frio visível".
O esboço do experimento fotoemissão moderna é mostrado na Figura 1. O feixe de luz síncrotron (tracejada linha verde) ilumina a superfície fria 1 K da amostra e fotoelétrons excita. Os electrões são projectados para a fenda de entrada do analisador hemisférico, ordenadas em termos do ângulo (traços magenta, amarelo e ciano correspondem difereângulos de inclinação nt) e, em seguida, são analisados em termos de energia cinética. Figura 2 mostra a distribuição de intensidade normal como uma função do ângulo de inclinação e a energia cinética. Tal distribuição de intensidade é de facto o esperado como a comparação com os cálculos de estrutura de banda deste material mostra (painel da direita). Esta é nossa janela para o espaço recíproco.
Digitalizando tensões sobre a lente e os hemisférios e rodando a amostra em torno do eixo vertical (ângulo polar) pode-se explorar a gama ampla de ligação de energia, bem como as regiões de largura do espaço recíproco com detalhes sem precedentes. Em particular, traçando intensidade ao nível de Fermi em função de ambos os componentes da quantidade de movimento no plano, calculado a partir dos ângulos de inclinação e polar, temos acesso directo à superfície de Fermi (FS).
* Em "incerteza" entendemos melhor estimativa do experimentador de quão longe uma quantidade experimental poderia ser a verdade "valor. "
** O anel de baixa energia, pode ter uma energia de ~ 0,8 GeV, a uma alta energia - até 8 GeV.
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Protocol
1. Montagem da Amostra
- Este experimento utiliza radiação síncrotron produzida pelo anel de armazenamento BESSY de Helmholtz-Zentrum Berlim. Os fótons viajam uma linha de luz para a nossa estação final, onde uma amostra é montada.
- Comece com um único cristal do material a ser investigado, aqui ruthenate estrôncio. Use à base de prata epóxi para colar a amostra para o suporte de amostras. O epóxi à base de prata garante o contato térmico e elétrico bom.
- Cola de alumínio no topo do poste para a superfície do cristal único. O poste superior será utilizada para clivar a amostra em vácuo ultra-alto para expor uma superfície atomicamente limpo.
- Montar o suporte da amostra no bloqueio de carga.
2. Alcançar ultra-vácuo e Isolamento Térmico
- Começam a evacuar o bloqueio de carga para minimizar a contaminação da câmara de vácuo ultra-elevado.
- Controlar a pressão. Uma vez que uma pressão de cerca de 10 -8 mbar foialcançado, transferir o conjunto para a câmara de preparação e, posteriormente, para o dedo chamber.The principal frio e suporte de amostra foram especialmente projetados para garantir o melhor contato possível térmico com o pote de hélio.
- Estas versões de demonstração mostra como isto é conseguido através de superfícies cónicas para aumentar a área de contacto. As superfícies cónicas são pressionadas uma contra a outra e o suporte da amostra e o dedo frio estão firmemente fixos no lugar utilizando uma porca e parafuso de titânio.
3. Posicionamento e Arrefecimento da Amostra
- O próximo passo é para orientar a amostra no interior do dedo frio ao longo do azimute usando o braço de transferência. Fixar a posição da amostra, o aperto da porca durante a aplicação de uma força contrária, com o braço de suporte ligado ao outro lado da câmara.
- Cleave da amostra, movendo o manipulador para cima de modo que a parte superior é removida pós-por interacção com o braço de suporte.
- Com o obturador fechado feixe, mover a amostra em posição na linha de luz utilizando o manipulador. Uma vez que a amostra está no lugar, certifique-se os cryoshields estão fechados adequadamente.
- Começar a bombear a panela 1-K e circular o gás de hélio-3, a fim de arrefecer a amostra até à temperatura de base. A temperatura é medida próximo da amostra e não muda durante a experiência.
- Abra o obturador de feixe da linha de luz. Use os parafusos micrométricos sobre o aparelho para ajustar a posição da amostra de modo a que ele está no foco da lente analisador. Este ajuste é crucial.
4. A coleta de dados
- Quando a instalação estiver pronta, mudar para o modo de ângulo resolvido do analisador de espectro e gravar no modo de varredura. Isto irá gerar dados para bidimensionais energia do ângulo de parcelas.
- Construir um mapa da superfície de Fermi usando os dados. Seleccione ângulos polares que correspondem às passagens de nível de Fermi para estudo da superconducting lacuna de ruthenate estrôncio.
- Os espectros de registo de alta resolução para os ângulos escolhidos polares acima e abaixo da temperatura de transição supercondutora de estrôncio ruthenate para investigar o comportamento do gap supercondutor.
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Representative Results
As temperaturas ultra-baixas de nossa configuração, juntamente com a alta resolução da linha de luz e analisador permitem gravar espectros com muito alta resolução em geral. Isto é ilustrado na Figura 3. O teste usual da resolução de energia é a de medir a largura do bordo de Fermi de um metal. Neste caso, é uma película de fresco evaporado índio. A largura total a meia máxima (FWHM) do Gauss, que, quando enroladas, com o passo de função precisamente descreve a borda, é da ordem de 2 MeV. De maior importância para estudos detalhados de a estrutura de baixa energia electrónica de sólidos é o espectro de ângulo resolvido da característica de dispersão. Tal exemplo é mostrado no painel do meio da Figura 3. Um pico muito forte supercondutor é observado nos LiFeAs supercondutores baseados em ferro uma representando uma das características mais acentuadas sempre detectados pelo ARPES. O mesmo vale para a resolução de impulso. O FWHM de 0,23 ° é o rECORD valor para o modo amplo angular de analisadores de energia de elétrons. O sistema foi projetado para combinar três conquistas, uma largura de banda meV da linha de luz, uma resolução meV do analisador e uma temperatura K da amostra. Este objectivo deu o nome ao nosso sistema "1-cubos ARPES". Se todos os três componentes foram minimizados, seria de esperar que a FWHM ~ 1.4 meV. Nossas medições actuais mostram que a resolução global da ordem de 2 MeV pode ser alcançado.
Outro resultado representativo é a nossa investigação da estrutura electrónica do supercondutor Sr 2 RuO 4, com a temperatura crítica 1,35 K. Este material é um óxido conhecido possuindo um largo espectro de propriedades físicas interessantes. Foi descoberto primeiro o óxido supercondutor após o cupratos 2. Seu estado supercondutor é incomum: os elétrons em pares acoplados têm seus spins orientados na mesma direção. Este é o assim chamado tripleto supercondutividade. É still não permanece bem compreendidos e o principal problema é o de definir a simetria do parâmetro de ordem supercondutor. A fim de fazer isso, a diferença de energia supercondutora deve ser determinado como uma função da quantidade de movimento - a tarefa exata para ARPES. Porque tais baixas temperaturas necessárias para a supercondutividade não eram acessíveis em experiências de fotoemissão antes, não foi possível para resolver este problema. Aqui fazemos uma tentativa de fazer isso. Em primeiro lugar, é necessário determinar a superfície de Fermi. Para este efeito, temos registrado muitos cortes em diferentes ângulos polares. Algumas delas são apresentadas para fins de ilustração na Figura 4. Agora, se considerarmos a intensidade apenas na vizinhança do nível de Fermi, e traçar-lo como uma função de ambos os ângulos, obteremos o locus de Fermi momentos, ou seja, o mapa da superfície de Fermi. Tal um mapa da superfície de Fermi é mostrado na Figura 5, juntamente com a superfície de Fermi calculada 3. O acordo é muito bom, mas o experimentaldados mostram muito mais recursos. Alguns deles são inesperada e invulgar 4. Agora podemos tentar medir o gap supercondutor. Para isso temos de registar os espectros de acima e abaixo da temperatura crítica, isto é, 1,35 K. Na Figura 6 mostram que tais pares de espectros. Nós realmente observar algumas alterações, compatíveis com a abertura do intervalo de energia, mas até mesmo a resolução de energia actual (ou talvez também a temperatura, o que pode ser superior à direita na superfície da amostra) não permitem tirar uma conclusão definitiva quanto para o gap de energia em Sr 2 RuO 4.
Figura 1. Esquemática da instalação experimental.
Figura 2. Painel esquerdo. Examesoas de distribuição de fotoemissão intensidade como uma função da energia cinética e ângulo. A estrutura de banda do sólido é directamente visto. Painel direito. Resultados dos cálculos de estrutura de banda para o mesmo material. Dados teóricos são tomadas a partir de 5.
Figura 3. Desempenho da borda experimental Fermi estação final. Painel esquerdo. De recém filme evaporado índio. Painel Médio. Curva de distribuição de energia (EDC) numa amostra de LiFeAs supercondutor. Os dados são tomados a partir de 1. Painel direito. Momentum curva de distribuição (MDC) no nível de Fermi de ZrTe 3. Resolução de energia antecipada global do sistema é expressa pela fórmula (1K = 0,0862 meV). O perfo realrmance do sistema é muito próximo ao que inicialmente dirige. Clique aqui para ver maior figura .
Figura 4. Energia-momentum cortes gravadas em diferentes ângulos polares (passo 10) para Sr 2 RuO 4. Clique aqui para ver maior figura .
Figura 5. Fermi mapa da superfície da Sr 2 RuO 4 tiradas com 80 eV linearmente polarizadasluz no 1K ~. Clique aqui para ver maior figura .
Figura 6. a, b típica espectros tomados para estudar o gap supercondutor de Sr 2 RuO 4. Seta vermelha indica a quantidade de movimento correspondente a uma única curva de distribuição de energia (EDC). T = 970 mK. C, d deslocamento do bordo de ataque da EDC integrado. Janela de impulso é representado pela largura da seta vermelha. O intervalo corresponde a um ponto de FS na banda perto do deslocamento BZ. Diagonal e da EDC kF como uma função da temperatura a partir de um outro ponto sobre o FS. F comportamento da temperatura típica da energia de ligação do bordo de ataque na vizinhança do cruzamento de dois FSs.
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Discussion
Como é mostrado acima, o método de aplicação é muito eficiente para estudar a estrutura de baixa energia electrónica de monocristais. Recentes melhorias instrumentais viraram ARPES de uma caracterização simples e banda mapeamento de ferramenta em espectroscopia de muitos-corpo sofisticado. Uma experiência moderna oferece informações sobre a estrutura eletrônica de um sólido ou um nano-objeto com um novo nível de precisão. O acesso à superfície de Fermi, no caso de um metal, as lacunas de energia de semicondutores e isoladores, estados de sua superfície, as estruturas de banda e velocidades de momentum dependentes de Fermi permite caracterizar a estrutura electrónica de um modo geral. Comparação com ab initio cálculos de rendimentos e de largura de banda de velocidades de Fermi renormalizações e, portanto, determina a complexidade do material em termos de força de correlações. Estruturas finas perto do nível de Fermi muitas vezes fornecem a possibilidade de detectar as impressões digitais de interação entre electrons e outros graus de liberdade, como fônons, plasmons, spin-flutuações etc estudos sistemáticos ímpeto dependentes podem identificar a interação dominante e fora único, por exemplo, um mediador de emparelhamento em supercondutores ou sistemas de ondas de densidade. Investigações mais aprofundadas envolver a determinação da simetria do parâmetro de ordem, proporcionando testes críticos para as teorias existentes ou novas abordagens estimulantes sobre um nível fundamental.
Como em cada método experimental, existem algumas desvantagens. Sabe-se que fotoelectrões são fortemente dispersas no interior do cristal, tendo assim um pouco elástica relativamente curto percurso livre médio. Como resultado, a profundidade de escape pode ser muito pequena, para baixo para constantes de rede diversos. Isto define a sensibilidade do método para a superfície e, em alguns casos, a estrutura electrónica da superfície é realmente diferente do 6 granel. No entanto, ARPES oferece muitas ferramentas para monitorar a situação. Um dos poem é o uso de energia dos fotões de excitação diferentes. Tal como foi mencionado anteriormente, para uma dada energia de fotões, é possível também estimar a componente de impulso perpendicular à superfície. Observado em estruturas periódicas ARPES espectros permite determinar absoluto k z ea resolução dinâmica correspondente dá incerteza desta quantidade. De tal modo o valor experimental da profundidade de escape pode ser estimada a partir da k δ incerteza princípio z * δ z ~ 1. A próxima ferramenta para controlar a sensibilidade do método de superfície é variável polarização da luz. Foi demonstrado anteriormente que a utilização de luz polarizada circularmente, é possível fazer a distinção entre a superfície e as contribuições em massa para o sinal de fotoemissão 7. Outra vantagem da utilização de polarizações diferentes e energias de fotões emitidos pela fonte de luz síncrotron é a possibilidade deseparar efeitos dos elementos de matriz de características genuínas da função espectral. O elemento de matriz é uma probabilidade de transição que pode suprimir o sinal de fotoemissão em regiões específicas do espaço de momentum e resultar em má interpretação dos espectros ARPES 8-10.
Obviamente, o método não é muito adequado para materiais fortemente 3D, os quais são difíceis para clivar in situ e obter superfícies atomicamente limpas e planas. Finalmente, ARPES em isoladores é muito mais complicado, uma vez que é necessário compensar o carregamento ocorre porque o fluxo de electrões de saída não pode ser compensada por o contacto eléctrico com o suporte de amostra 11.
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Disclosures
Não há conflitos de interesse declarados.
Acknowledgments
Agradecemos a ajuda de Rolf Follath, Hübel Roland, Möhler K., Inosov Dmytro, Fink Jörg, Koitzsch Andreas, Büchner Bernd, Varykhalov Andrei, Rienks Emile, Rader Oliver, Thirupathaiah Setti, Vyalikh Denis, Molodtsov Sergey, Laubschat Clemens, Ramona Weber, Hermann Dürr, Wolfgang Eberhardt, Christian Jung, Thomas Blume, Gerd Reichardt, David Batchelor, Kai Godehusen, Martin Knupfer, Stefan Leßny, Dirk Lindackers, Stefan Leger, Ralf Voigtländer, Ronny Schönfelder, que concebeu a "1-cubo" projeto concebidos, construídos e encomendado a linha de luz e de fim de estação, bem como um apoio organizacional e do usuário.
O projeto "1-cubos ARPES" foi financiado pelo BMBF concessão "maior resolução ARPES", bem como diretamente pelo BESSYII e IFW-Dresden. Este trabalho em particular foi apoiado pelo programa prioritário DFG SPP1458, concede ZA 654/1-1, BO1912/3-1 e BO1912/2-2. CE e BPD ªANK da Faculdade de Ciências da Universidade de Joanesburgo para financiamento de viagens. AV, RF e MC reconhecer o apoio da UE ao abrigo -FP7/2007-2013 subvenção N. 264098 - MAMA.
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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