CN101038330A

CN101038330A - 一种准连续或连续激光自旋分辨光电子能谱分析装置

Info

Publication number: CN101038330A
Application number: CN 200610169689
Authority: CN
Inventors: 周兴江; 陈创天; 许祖彦; 刘国东; 朱镛; 王桂玲; 张国春; 张鸿博; 王晓阳; 周勇; 张文涛; 刘海云; 赵林; 孟建桥; 董晓莉
Original assignee: Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS; Institute of Physics of CAS
Current assignee: Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS; Institute of Physics of CAS
Priority date: 2006-12-27
Filing date: 2006-12-27
Publication date: 2007-09-19
Anticipated expiration: 2026-12-27
Also published as: CN100575981C

Abstract

本发明公开了一种准连续或连续激光自旋分辨光电子能谱分析装置，包括真空室，真空室内部有用于固定操纵样品的样品台和设置在所述样品台一侧的电子能量分析器和自旋探测器；其特征是，还包括一激光器设置在所述真空室的激光入口处，激光器发出的激光经过所述入口入射到真空室内并入射到样品台上的样品上，照射到样品上的激光的光子能量高于5电子伏特；所述激光器发出的激光是准连续激光或连续激光。本发明的优点在于提高能量分辨率、动量分辨率，是一种高效、简洁、廉价的测量材料精细自旋状态甚至全面描述材料中的电子状态的装置。

Description

一种准连续或连续激光自旋分辨光电子能谱分析装置

技术领域

本发明涉及一种光电子能谱分析装置，特别是涉及一种以准连续或连续激光为光源的自旋分辨光电子能谱分析装置。

背景技术

材料的磁学性质是由内部电子的自旋状态决定的。对电子自旋的研究不仅具有重大的科学意义，更与新兴的自旋流和自旋电子学在信息领域的应用密切相关。自旋分辨光电子能谱作为探测材料中电子自旋状态的最直接的实验手段，无论对自旋电子学材料的探索，还是对量子自旋流现象和先进材料中众多的新奇量子现象相关的物理研究，都具有重要的意义。自旋分辨光电子能谱仪的工作原理是：当光辐照到样品上时，由于光电效应，电子将从样品中逸出。这些光电子经过电子能量分析器和莫特自旋探测器后，将获得能量、动量和自旋的信息。光电子相对于样品的空间角度，决定了电子的动量信息；光电子通过高电压加速，轰击散射靶。由于散射靶采用的是高原子序数的重金属，具有强的自旋轨道耦合，因此不同取向的电子将倾向于进入不同的电子放大倍增管而被接收到，从而获取了自旋的信息。长期以来，由于自旋分辨光电子能谱采用的莫特分析器(Mott Polarimeter)效率很低，测量的信号强度与通常的光电子能谱相比要弱10⁴～10⁵倍。为了获得足够强的信号，目前只能采用同步辐射光源，并且在采用同步辐射光源的同时，往往要牺牲能量分辨率以提高计数率，目前最好的自旋分辨光电子能谱仪的能量分辨率约为100meV。更不利的现状是，为了进一步增强信号，几乎所有的测量都是采用角积分的方式，因而失去了角分辨光电子能谱所具有的重要的电子动量信息。这两大弱点阻碍了目前的光电子能谱技术同步获取材料的电子状态的全面信息(即能量、动量和自旋)的能力，限制了其在材料和物理研究中的广泛应用。如果以脉冲激光为光源，则难以克服空间电荷效应(space charge effect)和镜像电荷效应(mirror charge effect)的影响。

针对现有技术的不足，就需要一种改进的，最好是能够提高能量分辨率，缩短测量所需时间，高效、简洁、廉价，特别是能同时获取电子动量信息的自旋分辨光电子能谱分析装置。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种以准连续或连续激光为光源的自旋分辨光电子能谱分析装置。

为了达到上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种准连续或连续激光自旋分辨光电子能谱分析装置，包括真空室，真空室内部有用于固定操纵样品的样品台和设置在所述样品台一侧的电子能量分析器和自旋探测器；其特征是，还包括一激光器设置在所述真空室的激光入口处，激光器发出的激光经过所述入口入射到真空室内并入射到样品台上的样品上。

进一步地，照射到样品上的激光的光子能量高于5电子伏特。

进一步地，所述激光器发出的激光是准连续激光或连续激光；所述的准连续激光是重复频率大于或等于10千赫兹的激光。

进一步地，所述激光器包括全固态激光器、固体激光器、半导体激光器、气体激光器、液体激光器、准分子激光器、光纤激光器。

进一步地，还包括在所述激光器的出光光路上安置的用于对激光进行单次变频的非线性光学晶体，或激光变频耦合器，以使照射到样品上的激光的光子能量高于5电子伏特。

进一步地，所述激光的偏振方式包括非偏振、线偏振、圆偏振或椭圆偏振方式。

进一步地，所述电子能量分析器包括平行板能量分析器，筒镜能量分析器，半球型分析器，球扇型分析器，飞行时间型分析器或减速场分析器。

进一步地，所述电子能量分析器是对从0eV到5eV的低动能光电子实现角分辨功能的分析器。

进一步地，所述真空室包括由磁屏蔽效应材料制成的真空室或内有磁屏蔽层的真空室；所述磁屏蔽效应材料包括Mu金属。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明将准连续或连续激光应用到自旋分辨光电子能谱分析技术上，提高其能量分辨率、动量分辨率及光子流量。弥补现有光源的不足，减少搭建或使用同步辐射光源的巨大耗费，缩短测量所需时间，从而提供一种高效的测量材料中电子的自旋状态的方法。本发明不仅是开发了自旋分辨光电子能谱技术的第三种光源，更重要的是为研究各种材料的精细自旋状态提供了一种重要的实验手段，特别是能够通过同步获取能量、动量和自旋这三个物理量来实现对材料的电子状态的全面描述。

2、利用准连续或连续激光来弥补现有光源的不足，减少搭建或使用同步辐射光源的巨大耗费，缩短测量所需时间，从而提供一种高效、简洁、廉价的测量材料的精细自旋状态甚至全面描述材料中的电子状态的装置。

附图说明

图1为本发明实施例1的准连续激光自旋分辨光电子谱分析装置示意图；

图2为本发明实施例2的连续激光自旋分辨光电子谱分析装置示意图；

图3为本发明实施例5的准连续激光自旋分辨光电子谱分析装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

实施例1：

按图1制作本发明的一准连续或连续激光自旋分辨光电子谱分析装置，包括真空室10，真空室10内部有用于固定样品11的样品台12和设置在所述样品台12一侧的电子能量分析器13和自旋探测器14；一激光器15设置在所述真空室10的激光入口(图中未示出)处，使激光器15发出的激光经过所述入口入射到真空室10内并入射到样品室12内的样品11上。

下面对本实施例中的各部分进行详细描述：

激光器14是193nm(纳米)全固态激光器，发出的激光光子能量是6.42eV(电子伏)，发出准连续激光的重复频率为10千赫兹。

真空室是有允许激光入射的激光入口，将固定有样品11的样品台12和设置在所述样品台12一侧的电子能量分析器13都设置在真空室中后，抽成真空，真空度优于10^-7帕斯卡。

样品为单晶或薄膜材料；将样品的待检测的表面与激光入射的夹角介于0-90度之间的任一角度；

样品台由良好导热导电材料如无氧铜加工而成，可以具备平移和转动功能，也可以在从室温到毫K(开尔文)的宽温区工作；

电子能量分析器采用商用产品，为飞行时间型分析器，该分析器放置在可以接收到逸出电子的任意位置。

自旋探测器采用商用的莫特自旋探测器。

本实施例的的准连续激光自旋分辨光电子能谱分析装置的工作过程为：激光器输出的准连续激光作为自旋分辨光电子谱仪的光源，入射到自旋分辨光电子谱仪的真空室，照射到样品上，材料中的电子由于光电效应会逃逸样品，并被自旋分辨光电子谱仪中的电子能量分析器和自旋探测器接收和分析，电子能量分析器以或者角积分或者角分辨或者角积分和角分辨的模式工作，提供具有超高的能量分辨率(优于10meV)和自旋分辨率的光电子能谱数据，实现研究电子的自旋状态的目的。结合角分辨光电子能谱分析技术，可以同步获取能量、动量和自旋这三个物理量，实现对材料的电子状态的全面描述。

实施例2：

在实施例1的基础上，按图2制作本发明的一连续激光自旋分辨光电子谱分析装置：激光器14是457.9nm的气体激光器，发出的激光光子能量是2.7eV，发出的激光是连续输出的。在激光器的出光光路上放置非线性光学晶体20，以及第一腔镜21和第二腔镜22，用于对激光器输出的连续激光实现腔内倍频(变频)，获得光子能量为5.4eV的连续激光，入射到样品上。非线性光学晶体20是偏硼酸钡(BBO)晶体。电子能量分析器采用市场所售产品，为球扇型分析器。

其它与实施例1相同。

实施例3

按图2制作本发明的一连续激光自旋分辨光电子谱分析装置，将实施例2中的非线性光学晶体20由非线性光学晶体激光变频耦合器替代。非线性光学晶体激光变频耦合器是使用非线性光学晶体与棱镜结合，以应用于激光变频的装置。非线性光学晶体激光变频耦合器中的非线性光学晶体为KBe₂BO₃F₂(KBBF，potassiumdifluo-diberryllo-borate)晶体，棱镜是45°直角棱镜。本领域技术人员可以根据公知技术完成该变频耦合器，参见专利ZL01115313.X。这样同样可以获得光子能量为5.4eV的连续激光。

其它与实施例2相同。

实施例4：

在实施例2的基础上，按图2制作本发明的一连续激光自旋分辨光电子谱分析装置，将实施例2中的电子能量分析器用减速场分析器替代。自旋探测器由莫特自旋探测器替代。

其它同实施例2。

实施例5

按图3制作本发明的一真空紫外激光自旋分辨光电子谱分析装置：激光器15为固体激光器，输出的波长为354.7nm的准连续(重复频率80M赫兹)激光，通过由对入射激光有高反射率的光学晶体制成的镀有增反膜的第一反光镜41和第二反光镜42，本实施例中反光镜采用石英材料制成；由对入射激光有高透射率的光学材料做成的第一聚焦镜30把激光会聚，此处采用石英材料做成聚焦透镜；经由对入射激光有高透射率的光学材料做成的窗口(此处采用石英)43进入密封装置44，此密封装置可以充入对真空紫外不吸收或吸收低的惰性气体如氮气。入射到由KBe₂BO₃F₂(KBBF，potassium difluo-diberryllo-borate)非线性光学晶体制成的激光变频耦合器45上，产生的波长为177.3nm的倍频激光，该激光为线偏振激光，经过由石英做成的镀增反膜的第三反光镜46和第四反射镜47反射后，由CaF₂做成的第二聚焦镜31聚焦，通过由CaF2制成的窗口48进入光电子谱仪的真空室10，真空室10直接由Mu金属制成，使得样品处的剩余磁场小于10mOe(毫奥斯特)。177.3nm的激光照射到样品11上，材料中的电子由于光电效应会逃逸样品，并被自旋光电子谱仪中的电子能量分析仪13和莫特自旋探测器14接收和分析。电子能量分析器13是半球型分析器，通过优化其电子光学参数使得能够对低动能光电子实现角分辨功能，通过改进其机械加工精度，使得电子噪声得以减少。电子能量分析仪13既可以以角分辨模式工作也可以以角积分模式工作，经测试分析实现研究电子的自旋状态的目的。结合角分辨光电子能谱分析技术，还可以同步获取能量、动量和自旋这三个物理量，实现对材料的电子状态的全面描述。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。通过参照实施例对本发明进行的详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，比如激光器15可以用满足技术方案要求的各种激光器替代，又如电子能量分析器13也可以用其他完成相同功能的分析器替代，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1、一种准连续或连续激光自旋分辨光电子能谱分析装置，包括真空室，真空室内部有用于固定操纵样品的样品台和设置在所述样品台一侧的电子能量分析器和自旋探测器；其特征是，还包括一激光器设置在所述真空室的激光入口处，激光器发出的激光经过所述入口入射到真空室内并入射到样品台上的样品上。

2、根据权利要求1所述准连续或连续激光自旋分辨光电子能谱分析装置，其特征是，照射到样品上的激光的光子能量高于5电子伏特。

3、根据权利要求1或2所述准连续或连续激光自旋分辨光电子能谱分析装置，其特征是，所述激光器发出的激光是准连续激光或连续激光；所述的准连续激光是重复频率大于或等于10千赫兹的激光。

4、根据权利要求1所述准连续或连续激光自旋分辨光电子能谱分析装置，其特征是，所述激光器包括全固态激光器、固体激光器、半导体激光器、气体激光器、液体激光器、准分子激光器或光纤激光器。

5、根据权利要求3所述准连续或连续激光自旋分辨光电子能谱分析装置，其特征是，还包括在所述激光器的出光光路上安置的用于对激光进行单次变频的非线性光学晶体，或激光变频耦合器。

6、根据权利要求1所述准连续或连续激光自旋分辨光电子能谱分析装置，其特征是，进一步地，所述激光的偏振方式包括非偏振、线偏振、圆偏振或椭圆偏振。

7、根据权利要求1所述准连续或连续激光自旋分辨光电子能谱分析装置，其特征是，所述电子能量分析器包括平行板能量分析器，筒镜能量分析器，半球型分析器，球扇型分析器，飞行时间型分析器或减速场分析器。

8、根据权利要求1所述准连续或连续激光自旋分辨光电子能谱分析装置，其特征是，所述电子能量分析器是对从0eV到5eV的低动能光电子实现角分辨功能的分析器。

9、根据权利要求1所述准连续或连续激光自旋分辨光电子能谱分析装置，其特征是，所述真空室包括由磁屏蔽效应材料制成的真空室或具有磁屏蔽层的真空室。

10、根据权利要求9所述准连续或连续激光自旋分辨光电子能谱分析装置，其特征是，所述磁屏蔽效应材料包括Mu金属。