Angle-resolved ספקטרוסקופיה Photoemission בטמפרטורות נמוכות במיוחד
Summary
המטרה הכללית של שיטה זו היא לקבוע את המבנה האלקטרוני האנרגיה נמוכה של מוצקים בטמפרטורות נמוכות במיוחד באמצעות ספקטרוסקופיה Photoemission angle-resolved עם קרינת סינכרוטרון.
Abstract
את התכונות הפיסיקליות של חומר מוגדרות על ידי המבנה האלקטרוני שלה. אלקטרונים במוצקים מתאפיינים באנרגיה (ω) ותאוצה (יא) ואת ההסתברות למצוא אותם במצב מסוים עם ω ו k הנתון מתואר על ידי פונקצית ספקטרלי (k, ω). פונקציה זו ניתן למדוד ישירות בניסוי המתבסס על האפקט הפוטואלקטרי הידוע, להסבר שאלברט איינשטיין קבל את פרס נובל בחזרה בשנת 1921. באפקט הפוטואלקטרי האור זרח על משטח פולט אלקטרונים מחומר. לדברי איינשטיין, שימור האנרגיה מאפשר לאדם לקבוע את האנרגיה של אלקטרון בתוך המדגם, ספק את האנרגיה של פוטון האור ואנרגיה הקינטית של Photoelectron היוצא ידועות. שימור מומנטום מאפשר גם להעריך k לייחסו לmomenקיבה של Photoelectron על ידי מדידת הזווית שבי Photoelectron עזב את השטח. הגרסה המודרנית של טכניקה זו נקראת ספקטרוסקופיה Photoemission זווית פתורה-(ARPES) ומנצלת את שני חוקי השימור על מנת לקבוע את המבנה האלקטרוני, אנרגיה ותנע של אלקטרונים בתוך מוצק כלומר. על מנת לפתור את הפרטים חיוניים להבנת הבעיות האקטואליות של פיזיקת מצב מוצקה, שלוש כמויות צריכות להיות ממוזערות: * אי ודאות באנרגית פוטון, חוסר ודאות באנרגיה הקינטית של photoelectrons וטמפרטורה של המדגם.
בגישתנו אנו משלבים 3 הישגים אחרונים בתחום קרינת סינכרוטרון, משטח המדע וcryogenics. אנו משתמשים בקרינת סינכרוטרון עם אנרגית פוטון מתכוננת תורמת חוסר ודאות מסדר הגודל של MeV 1, מנתח אנרגית אלקטרון אשר מזהה את האנרגיות הקינטיות עם דיוק מסדר הגודל של MeV 1 והוא cryostat WH 3ich מאפשר לנו לשמור על הטמפרטורה של המדגם מתחת 1 ק לדון בתוצאות שהושגו במופת גבישים יחידים של Sr 2 RuO 4 וכמה חומרים אחרים. המבנה האלקטרוני של חומר זה ניתן לקבוע בבהירות חסרת תקדים.
Introduction
כיום ARPES נעשה שימוש נרחב על מנת לקבוע את המבנה האלקטרוני של מוצקים. בדרך כלל, וריאציות שונות של שיטה זו מוגדרות על ידי מקור הקרינה הדרושה כדי להלהיב את האלקטרונים. אנו משתמשים בקרינת סינכרוטרון כן הוא מציע הזדמנות ייחודית כדי לכוון את הקיטוב ואנרגית פוטון העירור בטווח אנרגיה רחבה ומתאפיין בעצמה גבוהה, רוחב פס קטן (אי ודאות בhn אנרגיה) וזה יכול להיות ממוקד לקורה צר כדי לאסוף photoelectrons ממקום של כמה עשרות מיקרונים. קרינת סינכרוטרון נוצרה בטבעות אחסון אלקטרוני אילוץ אלקטרונים מסתובבים איתו בזירת אנרגיה מסדר הגודל של 2 ** GeV לעבור הסדרים תקופתיים של מגנטים חזקים (undulators). השדה המגנטי מסיט את האלקטרונים וכאשר אלקטרונים מהירים כאלה לשנות כיוונם הם פולטים קרינה. בדיוק אז קרינה זו מופנה אל beamline שנקרא בו הוא monochromatized נוסףידי סריג עקיף והתמקד על פני השטח של המדגם על ידי כמה מראות. יש הרבה מתקנים כאלה ברחבי העולם. קצה התחנה שלנו נמצאת באחד מbeamlines של טבעת אחסון Bessy השייך ללמהולץ Zentrum ברלין.
לבו של מתקן ARPES זה המנתח באנרגית אלקטרונים (איור 1). מכיוון שאנו מעוניינים בשניהם אנרגיה קינטית וזווית שבה אלקטרונים לעזוב את השטח, זה מאוד נוח לאתר אותם במדידה אחת. עיקרון מאוד פשוט הופך גישה זו למציאות. כמו בניסוי בסיסי עם עדשה אופטית, המתמקד גל מטוס לנקודה במישור המוקד האחורי ובכך ביצוע שינוי המרחבי פורה, אלקטרוני האלקטרונים האופטיים עדשת פרויקטים שהותירו משטח בזווית מסוימת לנקודה במישור המוקד ( איור 1). באופן כזה אנו משיגים גישה למומנטום ההדדי, כלומר, החלל. Distance מהכיוון קדימה במישור המוקד מתאים לזווית ובכך לעצור את התנופה של Photoelectron. עכשיו האלקטרונים צריכים להיות מנותחים במונחים של אנרגיה. לצורך כך חריץ הכניסה של מנתח hemispherical ממוקם בדיוק במישור המוקד של העדשה האופטית האלקטרון. מתחים בשתי ההמיספרות נבחרים כך שאלקטרונים רק עם אנרגיה קינטית מסוימת (להעביר אנרגיה) ויונחו בדיוק באמצע של שתי ההמיספרות וקרקעות בקו המרכזי של גלאי דו הממדים. אלו שיותר מהר יפגעו גלאי קרוב יותר לכדור החיצוני, ואלה שהם איטיים יותר יהיו מוסחים לכיוון האונה הפנימית. בדרך זו אנו יכולים לקבל את חלוקת עוצמת photoemission כפונקציה של אנרגיה הקינטית וזווית בו זמנית.
היתרון העיקרי של הגישה שלנו על פני שיטות קיימות הוא השימוש הוא 3 cryomanipulator. יש לפחות שתי סיבות לביצוע ouלא המדידות בטמפרטורות נמוכות. הטמפרטורה הגבוהה יותר של החומר, מרווח יותר את המצבים האלקטרוניים הפכו באנרגיה ותנע. כדי לקבוע את המבנה האלקטרוני עם דיוק גבוה טמפרטורה זו הרחבה יש להימנע. כמו כן, רבות הן תכונות פיסיקליות טמפרטורה תלויות, כמה תופעות שנקבעו בהזמנה בטמפרטורות נמוכות וידע של המבנה האלקטרוני במצב היסוד של המערכת, כלומר בט = 0, הוא בעלת חשיבות. אחת הדרכים היעילות ביותר כדי לצנן את הדגימה עד עשירית קלווין הוא לנזל הוא 3 גז. בניסויים רבים המגיעים לטמפרטורות תת קלווין הם לא בעיה, מכיוון שקרינת תרמית, האויב העיקרי של טמפרטורות נמוכות במיוחד, יכול להיות מוגן ביעילות. למרבה הצער, זה לא המקרה בניסויי photoemission. אנחנו צריכים לספק גישה חופשיה לאור הנכנס ואלקטרונים יוצאים. זו תמומש על ידי חריצים שתוכננו במיוחד בשלושה raמגיני diation, טמפרטורות שונות שיש. כדי לפצות על עומס החום הנגרם על ידי קרן הפוטונים וקרינה בטמפרטורת חדר, הכח והקירור של cryostat צריך להיות גבוה מאוד. זו מושגת על ידי המהירות הגדולה מאוד שאיבה של שתי משאבות המקטינה את לחץ האדים מעל הנוזל הוא 3, וכך קירור האצבע והדגימה הקרה. מפרטי העיצוב שלו 3 המערכת שלנו לעשות את זה הכי חזק בעולם. זה אולי המקום היחיד על פני כדור הארץ שבו אפשר לראות את פני שטח קר K 1 עד חלון טמפרטורת חדר, "הגלוי הקר ביותר".
הסקיצה של ניסוי photoemission המודרני מוצגת באיור 1. סינכרוטרון הקורה (מקווקו ירוק קו) מאיר את המשטח הקר K 1 מתוך המדגם וphotoelectrons ממגר. האלקטרונים צפויים חריץ הכניסה של מנתח hemispherical, מסודר מבחינת זווית (צהובה, מגנט וציאן עקבות מתאימות לdiffereזוויות הטית nt) ולאחר מכן הם נתחו במונחים של אנרגיה קינטית. תרשים 2 מציג את חלוקת עוצמת האופיינית כפונקציה של זווית הטיה ואנרגיה קינטית. כגון חלוקת עוצמת אכן צפויה כהשוואה עם חישובי מבנה להקה של חומר זה מראה (לוח ימני). זה החלון שלנו אל החלל הדדי.
על ידי סריקת מתחים על העדשה ואונות וסיבוב המדגם סביב הציר האנכי (זווית קוטבית) אנו יכולים לחקור את מגוון אנרגית קשר הרחב כמו גם באזורים נרחבים של מרחב הגומלין עם פירוט חסר תקדים. בפרט, זומם עצמה ברמה פרום כפונקציה של שני המרכיבים של המומנטום במטוס, המחושב מזוויות הטיה וקוטביות, יש לנו גישה ישירה אל פני שטח פרמי (FS).
* תחת "חוסר ודאות" אנחנו מבינים את האומדן הטוב ביותר של הנסיינית של כמה רחוק כמות ניסיונית עשויה להיות מ" האמיתיערך ".
** טבעת האנרגיה נמוכה יכולה להיות אנרגיה של ~ 0.8 GeV, 1 באנרגיה גבוהה – עד 8 GeV.
Protocol
Representative Results
Discussion
כפי שהראה לעיל, השיטה מיושמת היא יעילה מאוד בלימוד המבנה האלקטרוני האנרגיה נמוכה של גבישים יחידים. שיפורים אינסטרומנטליים האחרונים הפכו ARPES מאפיון בלבד וכלי להקת מיפוי לספקטרוסקופיה מתוחכמת רבה לגוף. ניסוי מודרני מספק מידע על המבנה האלקטרוני של מוצק או ננו אובייקט ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו מכירים תודה עמוקה את עזרתו של רולף Follath, רולנד הובל, ק Möhler, דמיטרו Inosov, יורג פנק, אנדריאס Koitzsch, ברנד יכנר, אנדריי Varykhalov, אמיל Rienks, אוליבר ריידר, סטי Thirupathaiah, דניס Vyalikh, סרגיי Molodtsov, קלמנס Laubschat, רמונה וובר, הרמן יראה יראה, וולפגנג Eberhardt, כריסטיאן יונג, תומאס בלום, הגרד רייכרט, הדוד באצ'לור, קאי Godehusen, מרטין Knupfer, סטפן Leßny, Lindackers דירק, סטפן לז'ה, רלף Voigtländer, רוני Schönfelder, שהגה את הפרויקט "1-הקוביות" , תוכנן, נבנה והוזמן beamline וקצה התחנה, כמו גם תמיכה ארגונית ומשתמש בלבד.
הפרויקט "1 חתוך לקוביות-ARPES" כבר במימון BMBF המענק "הרזולוציה הגבוהה ביותר ARPES", כמו גם באופן ישיר על ידי BESSYII וIFW-דרזדן. עבודה מיוחדת זו נתמכה על ידי תכנית עדיפות DFG SPP1458, מעניק ZA 654/1-1, BO1912/3-1 וBO1912/2-2. הקהילה אירופית וה BPDank הפקולטה למדעים באוניברסיטת יוהנסבורג למימון נסיעות. AV, RF ו MC להכיר תמיכה מהאיחוד האירופי -FP7/2007-2013 תחת הסכם המענק נ 264098 – אמא.
Materials
| Name of Reagent/Material | Company | Catalogue 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
- 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. , (1996).
