角分辨光电子能谱仪


  角分辨光电子能谱(Angle resolved photoemission spectroscopy ,简称ARPES)利用光电效应研究固体的电子结构。1887年由德国物理学家赫兹发现,一束光照射在样品表面,当入射光频率高于特定阈值(功函数)时,表面附近的电子会脱离样品,成为自由电子,这就是光电效应。在我们的ARPES实验中,采用稀有气体电离或者同步辐射作为光源。光电子在真空飞行的过程中,被一个接受角度很小的能量分析器收集计数。

  目前应用最广的分析器测量光电子数与其出射角(即电子动量)和出射动能的函数关系。利用动能守恒定律和动量守恒定律,我们可以计算出样品中电子的动能及动量。其中,能量守恒定率为:在这一过程中,系统的能量是守恒的:光电子的动能,材料的功函数以及电子的束缚能之和等于入射光子的能量。

  其中,ħω为入射光能量,Ekin为出射光电子动能,ϕ为材料功函数(发生光电效应的最小光子能量),EB为电子束缚能。我们的主要目的是得到样品中电子束缚能与电子动量的函数关系。

  垂直于样品表面方向上晶体平移对称性被破坏,导致在此方向上动量不再守恒。因此我们只能得到固体中的电子在平行于样品表面方向上动量分量。光子的动量很小,与电子动量相比可以忽略。所以,按照图中的几何关系,平行于样品表面方向的动量守恒定律可表示为:

  角分辨光电子谱通过测量不同出射角度的光电子的动能,就可以得到电子在固体中平行于样品表面的动量分量。其中P||为平行于样品表面的选定方向上的动量分量,k||为固体中电子的波矢,me为电子质量,Ekin为电子的动能,θ电子出射角度。

  将得到的能量与动量对应起来,就可以得到晶体中电子的色散关系。同时,ARPES也可以得到能态密度曲线和动量密度曲线,并直接给出固体的费米面。

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