Kątowo-rozdzielcza spektroskopia fotoelektronów (ARPES)
Foton o energii hn wzbudza elektron w próbce w taki sposób, że elektron ten opuszcza próbkę (efekt fotoelektryczny).
W próżni nad powierzchnią próbki mierzymy energię Ek fotoelektronu wyemitowanego w wybranym kierunku, określonym przez kąt zenitalny J i kąt azymutalny j.
W takim wypadku jesteśmy w stanie podać również wektor pędu (p) dla tego elektronu, lub równoważnie jego wektor falowy k ; p= ħK, K=(Kx, Ky, Kz):
Korzystając z zasad zachowania energii i pędu możemy teraz wydedukować energię (E) i (kwazi)pęd ħk jaki elektron posiadał przed procesem fotoelektrycznym.... nie wszystkie kombinacje E i k są dozwolone dla elektronów ciele stałym... Liczby kwantowe E i k są zależne i związane tzw. relacją dyspersji E(k)...
Wykonując taki pomiar dla wszystkich kierunków nad powierzchnią możemy znaleźć relację dyspersji ponieważ silny sygnał rejestrujemy tylko wtedy gdy, równocześnie z zasadami zachowania, jest spełniona relacja dyspersji.
Dla trójwymiarowego systemu elektronów (np. w krysztale 3D) całą relację relację dyspersji trudno sobie wyobrazić bo k jest wektorem trójwymiarowym... i musimy się ograniczać do pewnych fragmentów tej relacji.
Dla dwuwymiarowego systemu elektronów, np. dla elektronów uwięzionych na powierzchni czy w cienkiej warstwie k jest wektorem dwuwymiarowym i kompletna relacja dyspersji jest dostępna dla naszej wyobraźni jako trójwymiarowa powierzchnia w przestrzeni liczb kwantowych (E, k).
Poniżej przykłady: blok trójwymiarowych danych (rys. 1) - wycięty w środku – widzimy pasma E(k) na powierzchni figury) oraz blok danych (rys. 2) pokazujący pasma na trzech przecinających się płaszczyznach – w aplikacjach do analizy płaszczyzny te można przesuwać aby badać pasma w dowolnych miejscach przestrzeni (E, k).
rys. 1
Struktura pasmowa zmierzona na linii UARPES
G. Grabecki, A. Dabrowski, P. Iwanowski, A. Hruban, B.J. Kowalski, N. Olszowska, J. Kolodziej, M. Chojnacki, K. Dybko, A.Lusakowski, T. Wojtowicz, T. Wojciechowski, R. Jakiela, A. Wisniewski
Conductance spectra of (Nb, Pb, In)/NbP superconductor/Weyl semimetal junctions,
Physical Review B 101 085113 (2020)
rys. 2
Struktura pasmowa grafenu zobrazowana w pobliżu tzw. punktu Diraca
P. Ciochoń, N. Olszowska, J. Kołodziej
Układ pomiarowy do kątoworozdzielczej spektroskopii fotoelektronów (ARPES)
Układ składa się z kilku komór ultrawysokiej próżni, z ciśnieniem bazowym na poziomie < 1x10-10 mbar, z których najważniejsze to komora analityczna i komora preparacyjna.
Główna technika analityczna, dostępna w układzie, to kątoworozdzielcza spektroskopia fotoelektronów (ARPES), umożliwiająca badania struktury elektronowej powierzchni z wykorzystaniem zjawiska fotoemisji elektronów takie jak rejestracja map gęstości stanów elektronowych w trzech wymiarach przestrzeni pędów, odwzorowywanie powierzchni Fermiego czy też wyznaczanie relacji dyspersji (pasm elektronowych).
Technika ta jest zrealizowana w oparciu o hemisferyczny spektrometr energii najwyższej klasy (Gammadata-Scienta R4000 WAL) współpracujący ze źródłem fotonów UV (Gammadata-Scienta VUV5000) HeI/HeII i monochromatorem (Gammadata – Scienta VUV5040) oraz pięcioosiowym manipulatorem/goniometrem z kriostatem helowym (PREVAC) pozwalającym osiągać temperatury próbek poniżej 10 K.
Drugą podstawową techniką badawczą dostępną w układzie jest dyfrakcja elektronów niskiej energii pozwalająca określić strukturę atomową powierzchni. Technika ta jest zrealizowana na bazie dyfraktometru siatkowego OCI z powielaczem elektronów (MCP LEED), z wykorzystaniem wspólnego z techniką ARPES manipulatora i kriostatu. Pozostałe (pomocnicze) techniki analityczne to spektroskopia fotoelektronów rentgenowskich (XPS) oraz spektroskopia elektronów Augera (AES).
Próbki do badań są przygotowywane w komorze preparacyjnej, w której można zrealizować wszystkie zasadnicze techniki preparacyjne dla powierzchni tj. wygrzewanie wysokotemperaturowe w ultrawysokiej próżni (do 2000 K), rozpylanie powierzchni jonami argonu, oksydację powierzchni, czy też nanoszenie cienkich warstw metodami epitaksji z wiązki molekularnej.
Próbki są transferowane pomiędzy komorami preparacyjną, analityczną, wejściową, buforową i magazynową w ultrawysokiej próżni. Śluza wejściowa umożliwia szybkie wprowadzenie próbek do komory buforowej bez naruszania ultrawysokiej próżni w komorach układu.
Przykładowe badania
Badania struktury pasmowej dwuwymiarowych gazów elektronowych przy powierzchniach półprzewodników
N. Olszowska, J. Lis, P. Ciochoń, Ł. Walczak, E. G. Michel, J. J. Kołodziej,
Effect of a skin-deep surface zone on the formation of a two-dimensional electron gas at a semiconductor surface,
Physical Review B 94 (11), 115305-1 - 115305-10,
doi: 10.1103/PhysRevB.94.115305
Badania struktury pasmowej powierzchni półprzewodników III-V I układów opartych na tych powierzchniach
N. Olszowska, J.J. Kolodziej,
Electronic structure of reconstructed InAs(001) surfaces - identification of bulk and surface bands based on their symmetries,
Surface Science 644 95, 2016,
DOI: 10.1016/j.susc.2015.09.007
P. Ciochoń, N. Olszowska, J. J. Kołodziej,
Electronic structure and STM imaging of the KBr-InSb interface,
Applied Surface Science 409, 200-207,
doi: 10.1016/j.apsusc.2017.03.050
P. Ciochoń, Ł. Bodek, M. Garb, Ł. Zając, J. J. Kołodziej,
Si beam-assisted graphitization of SiC (0001),
Applied Physics A 124 (10), 727,
doi: 10.1007/s00339-018-2145-9
P. Ciochoń, M. Marzec, N. Olszowska, J.J. Kołodziej,
Reversible graphitization of SiC: a route towards high-quality graphene on a minimally step bunched substrate,
Applied Surface Science, 146917,
doi: 10.1016/j.apsusc.2020.146917