CN1995996B - 一种准连续或连续激光角分辨光电子能谱分析装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种准连续或连续激光角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；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、廉价的测量材料的精细电子结构的装置。

Description

一种准连续或连续激光角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超高能量分辨率角分辨光电子能谱分析装置。

背景技术

由于任何材料的宏观物理性质都由其微观的电子运动过程所支配，所以要了解、利用并控制先进材料中众多的新奇物理现象就必须深入研究它们的电子结构。光电子能谱技术在所有的实验技术中是研究材料电子结构的最直接和最强有力的工具。光电子能谱技术的工作原理是：当光束照射在样品上，材料中的电子由于光电效应会逃逸样品，通过测量光电子的强度随着电子能量的分布，从而了解所研究样品的电子结构。因为材料的物理性质主要和费米能级附近的价带电子有关，而这些电子的能量尺度很小，一般只在meV量级，所以高能量分辨率和高角度分辨率对探测材料的本征性质非常重要。但是，现有的光电子能谱技术所采用的光源主要是同步辐射光源和气体放电光源。同步辐射光源的造价昂贵，实用的能量分辨率差于10meV；气体放电光源的能量分辨率虽然最好可达1.2meV，但其光斑大并且光通量较弱使其难以在现代先进的高分辨率电子能量分析器模式下进行角分辨的工作。除此之外，现有技术的这两种光源还有共同的弱点，即光束流强度不很高，一般小于10¹³光子/秒，且实验对样品的表面加工要求非常高。目前虽有尝试以激光做为光源，但由于采用的是脉冲激光，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，最好是能够缩短测量所需时间，高效、简洁、廉价，特别是能量分辨率高的角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超高能量分辨率角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角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；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，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半球型分析器，球扇型分析器，飞行时间型分析器。

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光电子能谱分析技术上，提高其能量分辨率、动量分辨率、光子流量。本发明提高光子流量，大于10¹³光子/秒，特别是角分辨光电子能谱分析的能量分辨率和动量分辨率都有很大提高，可实现测量材料的精细电子结构的目的。本发明不仅是开发了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电子结构提供了一种重要的实验手段。

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，是一种高效、简洁、廉价的测量材料的精细电子结构的装置。

附图说明

图1为本发明实施例1的准连续激光角分辨光电子谱分析装置的示意图；

图2为本发明实施例2的连续激光角分辨光电子谱分析装置的示意图；

图3为本发明实施例5的准连续激光角分辨光电子谱分析装置的示意图。

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激光角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；一激光器14设置在所述真空室10的激光入口(图中未示出)处，使激光器14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^-7Pa(帕斯卡)。

待测的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市场所售产品，为飞行时间型分析器，该分析器放置在能够接收到逸出电子的位置。

实施例的准连续激光超高能量分辨率角分辨光电子能谱分析装置的工作过程为：由激光器直接产生的准连续激光进入真空室，当激光照射在样品上时，材料中的电子由于光电效应会逃逸样品，并被电子能量分析器接收和分析，获得电子的能量、动量和束流强度的信息，从而实现研究样品的精细电子结构的目的。电子能量分析器以角分辨的模式工作，可提供具有超高的能量分辨率(优于10meV)和动量分辨率的光电子能谱数据，特别是对费米面附近的价电子态对温度、能量和动量的依赖关系具有超高的灵敏度。利用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电子结构的装置

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角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(BB0)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角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，具体可参见专利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角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半球型分析器替代。

其它同实施例2。

实施例5：

按图3制作本发明的一准连续真空紫外激光角分辨光电子谱分析装置：激光器14为固体激光器，输出的波长为354.7nm的准连续激光，其重复频率为80兆赫兹，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，并被光电子谱仪中的电子能量分析器13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。电子能量分析器13以角分辨模式工作，通过测量光电子的强度随着电子能量和角度的变化，使得能量分辨率优于1.5meV，实现了研究样品的精细电子结构的目的。

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14可以用其他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 (5)

1.一种准连续激光角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；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；激光器发出的激光的光子能量高于5电子伏特；激光器发出的准连续激光是重复频率大于或等于10千赫兹的激光；所述电子能量分析器包括半球型分析器和飞行时间型分析器电子能量分析器以角分辨的模式工作，而且可以在0eV到5eV的低动能范围内工作。

2.根据权利要求1所述准连续激光角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；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，使得样品处的剩余磁场小于10mOe。

3.根据权利要求1所述准连续激光角分辨光电子能谱分析装置，其特征是，还包括光子流量大于10¹³光子/秒的准连续激光。

4.一种连续激光角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；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；激光器发出的激光的光子能量高于5电子伏特；所述电子能量分析器包括半球型分析器和球扇型分析器，电子能量分析器以角分辨的模式工作，而且在0eV到5eV的低动能范围内工作。

5.根据权利要求4所述连续激光角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。

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