CN215264059U - 一种图像型电子自旋分析器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种图像型电子自旋分析器，包括二维图像型电子探测器及电子光学系统，电子光学系统包括铁磁性反射靶、入射电子透镜组及至少一反射电子透镜组。本实用新型利用铁磁性反射靶对具有不同自旋方向的电子的不同的反射率实现对电子自旋的测量，反射靶的镜面反射可以实现入射、出射电子轨道的分离，从而避免电子光学系统及电子探测器的几何配置困难，并可使透镜系统采用较大的尺寸从而获得较小的像差，电子光学系统能够实现初始平面处电子图像到二维图像型电子探测器入口平面的点到点二维成像，从而实现对电子自旋的二维多通道测量。另外，相比现有图像型VLEED电子自旋分析器，本实用新型的图像型电子自旋分析器无需引入磁场，结构更简单。

Description

一种图像型电子自旋分析器

技术领域

本实用新型属于电子自旋分析领域，涉及一种图像型电子自旋分析器。

背景技术

目前，对电子自旋进行测量的分析器主要有Mott型、Spin-LEED型及VLEED型分析器。其中，Mott型分析器的测量方式是：先将电子加速到20-100KeV的动能，然后使电子在具有高自旋-轨道相互作用材料(通常由高原子序数元素构成)靶上散射，通过测量散射电子强度的不对称性来测量入射电子的自旋；Spin-LEED分析器是通过测量电子在具有高自旋-轨道相互作用材料(如钨、铱、铂等)单晶表面衍射斑点强度的非对称性来测量电子的自旋；VLEED是最近发展的新分析器，其测量方式是：首先将电子动能加(减)速到6eV，然后分别测量电子在+Z及-Z方向磁化的铁磁性靶上的反射率，通过测量此两反射率的相对差异来测量入射电子在Z方向的自旋。VLEED是目前测量效率最高的电子自旋分析器。

如图1所示为一种单通道VLEED分析器的电子自旋测量原理示意图。初始电子平面11上a点处的入射电子经过反射靶12镜面反射到达电子探测器13的A区域。同样，初始电子平面11上b点处的入射电子经过类似的路径到达电子探测器13的B区域。也就是来自a点的各入射电子在电子探测器13上会形成以A点为中心的较大束斑，同样，来自b点的各入射电子在电子探测器13上会形成以B点为中心的较大束斑，由于束斑较大，导致以A点为中心的束斑与以B点为中心的束斑会部分重叠，因此，经典的VLEED分析器无法区分入射电子的来源位置，也就是说，无法区分入射电子是来自a点还是来自b点。该种无法区分入射电子的来源位置的电子自旋分析器被称为单通道电子自旋分析器；能将入射电子的来源位置进行区分的分析器被称为多通道分析器或图像型分析器。目前运行的电子自旋分析器几乎都是单通道的。为了提高电子自旋测量的效率，实现电子自旋的多通道测量一直是科研技术人员关注的焦点。

现今报道的多通道电子自旋分析器有两种。一种是由德国的Kirschner研究组创制的Spin-LEED图像型自旋分析器。该分析器的入射电子以45°入射角入射至W(100)靶，入射电子束与反射电子束形成90°的夹角，由于入射电子在该W(100)靶背面形成的虚像面及电子探测器平面均与电子光学轴相垂直，故电子光学系统具有较小的像差，可以区分入射电子的来源位置。但是，spin-LEED分析器进行电子自旋测量是基于自旋-轨道相互作用，其效率仅为基于强相关联相互作用的VLEED分析器的百分之一。此外，由于spin-LEED分析器所采用的W(100)靶不能被磁化，故需要将样品先后经过相反方向的磁化，并分别测量不同磁化方向时电子的反射强度，通过反射强度的差来确定从样品发出的电子的自旋极化度。由于该测量方式需要对样品进行磁化，仅能对铁磁性样品进行测量。另一种为本申请人的VLEED型多通道电子自旋分析器，已经获得中国专利授权(专利号201310313572)。该发明引入磁场实现了入射电子与出射电子运动轨迹的分离，从而实现了高效率的VLEED型多通道电子自旋测量，但是磁场在沿磁场方向及垂直磁场方向电子光学的非对称性会引起像差，且磁场的引进使得整个自旋分析器结构复杂。

实用新型内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种图像型电子自旋分析器，用于解决现有图像型电子自旋分析器具有较大的相差、结构复杂等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种图像型电子自旋分析器，包括：

二维图像型电子探测器；

电子光学系统，包括铁磁性反射靶、入射电子透镜组及至少一反射电子透镜组，所述入射电子透镜组用于使初始入射电子以入射角θ入射至所述铁磁性反射靶，其中10°≤θ＜90°，所述铁磁性反射靶用于在至少两种磁化方向下反射电子，所述反射电子透镜组用于使所述铁磁性反射靶反射的电子成像于所述二维图像型电子探测器。

可选地，所述铁磁性反射靶的材质包括铁磁性氧化铁。

可选地，所述铁磁性反射靶包括基板及形成于所述基板表面的铁磁性氧化铁膜，所述基板的材质包括氧化镁、氧化铝镁或钨单晶。

可选地，所述入射角θ选自15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、70°、80°和85°中的至少一种。

可选地，所述入射电子透镜组与所述反射电子透镜组的轴线夹角为2θ。

可选地，所述入射电子透镜组与所述反射电子透镜组的轴线夹角为90°。

可选地，所述图像型电子自旋分析器还包括铁磁性反射靶法线方向调节装置，以测量不同方向的电子自旋极化度。

可选地，所述电子光学系统包括第一反射电子透镜组及第二反射电子透镜组；当所述铁磁性反射靶的法线方向为第一预设方向时，初始入射电子经由所述入射电子透镜组以第一入射角θ₁入射至所述铁磁性反射靶，所述入射电子透镜组与所述第一反射电子透镜组的轴线夹角为2θ₁；当所述铁磁性反射靶的法线方向为第二预设方向时，初始入射电子经由所述入射电子透镜组以第二入射角θ₂入射至所述铁磁性反射靶，所述入射电子透镜组与所述第二反射电子透镜组的轴线夹角为2θ₂。

可选地，所述入射电子透镜组、所述第一反射电子透镜组及所述第二反射电子透镜组的轴线互相垂直。

可选地，所述入射电子透镜组及所述反射电子透镜组包括非轴对称电子透镜。

可选地，所述非轴对称电子透镜采用电多级透镜，所述电多级透镜由圆柱形电透镜一分为多构筑而成。

可选地，所述电多级透镜采用电四级透镜。

可选地，通过调整所述电多级透镜的电极电压实现电子束的偏转。

可选地，所述二维图像型电子探测器包括微通道板、荧光板及相机。

可选地，所述二维图像型电子探测器包括微通道板及延迟线探测器。

可选地，所述二维图像型电子探测器包括半导体探测器阵列。

如上所述，本实用新型的图像型电子自旋分析器包括二维图像型电子探测器及电子光学系统，其中，所述电子光学系统包括铁磁性反射靶、入射电子透镜组及至少一反射电子透镜组。本实用新型利用铁磁性反射靶对具有不同自旋方向的电子的不同的反射率实现对电子自旋的测量，其中，铁磁性反射靶可以实现入射电子轨道和出射电子轨道的分离，从而避免电子光学系统及电子探测器的几何配置困难，并可以使透镜系统采用较大的尺寸从而获得较小的像差。由铁磁性反射靶与电子透镜组构建的电子光学系统能够实现成像面的转换，保证两次成像过程中物像平面均与电子光学系统光轴相垂直，从而能够实现初始平面处电子图像到二维图像型电子探测器入口平面的点到点二维成像，实现对电子自旋的二维多通道测量。另外，相比现有的图像型VLEED电子自旋分析器，本实用新型的图像型电子自旋分析器无需引入磁场，结构更简单。

附图说明

图1显示为一种单通道VLEED分析器的电子自旋测量原理示意图。

图2显示为本实用新型的图像型电子自旋分析器于实施例一中的结构示意图。

图3显示为本实用新型的图像型电子自旋分析器于实施例二中的结构示意图。

图4显示为一种四级透镜的结构示意图。

元件标号说明

11 初始电子平面

12 反射靶

13 电子探测器

2 初始电子平面

31 入射电子透镜组

32 反射电子透镜组

32’ 第一反射电子透镜组

33 第二反射电子透镜组

4 铁磁性反射靶

51、52 二维图像型电子探测器

61、62 成像面

e1 第一极板

e2 第二极板

e3 第三极板

e4 第四极板

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图4。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图式中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

本实施例中提供一种图像型电子自旋分析器，请参阅图2，为该图像型电子自旋分析器的结构示意图，包括二维图像型电子探测器51及电子光学系统，所述电子光学系统包括铁磁性反射靶4、入射电子透镜组31及反射电子透镜组32，所述入射电子透镜组用于使初始入射电子以入射角θ入射至所述铁磁性反射靶4，所述铁磁性反射靶4用于在至少两种磁化方向下反射电子，所述反射电子透镜组32用于使所述铁磁性反射靶4反射的电子成像于所述二维图像型电子探测器51。

具体的，所述二维图像型电子探测器51可以是任意一种能记录电子强度分布的器件。作为示例，所述二维图像型电子探测器51可由微通道板(Micro-channel Plate，MCP)、荧光板及高感度相机构成。作为另一种示例，所述二维图像型电子探测器51也可由微通道板及延迟线探测器((Delay Line Detector，DLD)构成。作为第三种实示例，所述二维图像型电子探测器51也可包括半导体二维阵列探测器。

作为示例，所述铁磁性反射靶4的材质包括但不限于铁磁性氧化铁。在具体结构上，所述铁磁性反射靶4可包括基板及形成于所述基板表面的铁磁性氧化铁膜，所述基板的材质包括但不限于氧化镁、氧化铝镁或钨单晶。所述铁磁性反射靶4不同的磁化方向可通过配置磁化线圈及改变磁化线圈的通电状态来实现。

作为示例，所述入射角θ满足：10°≤θ＜90°，例如所述入射角θ可选自15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、70°、80°和85°中的至少一种。

作为示例，所述入射电子透镜组31与所述反射电子透镜组32的轴线夹角为2θ。

下面以所述反射电子透镜组32的数量为一组，所述入射角θ为45°，所述入射电子透镜组31与所述反射电子透镜组32的轴线夹角为90°为例来说明本实用新型的图像型电子自旋分析器的测量原理。

具体的，如图2所示，X轴、Y轴及Z轴构成直角坐标系，入射电子束沿Y轴方向运动，所述入射电子透镜组31的轴线沿Y轴方向，所述反射电子透镜组32的轴线沿X轴方向。所述反射靶4的法线方向在XY平面内且与入射电子束成45度夹角，即所述入射角为45度。首先，将所述铁磁性反射靶4沿+X’方向磁化，其中，X’方向位于XY平面内，且与X轴及Y轴的夹角均为45度，所述入射电子透镜组31将初始电子平面2的电子成像在与Y轴垂直的成像面61上，经所述铁磁性反射靶4反射，此成像面转换成与X轴垂直的成像面62，所述反射电子透镜组32将位于成像面62的电子强度分布成像到所述二维图像型电子探测器51的入口平面上。所述二维图像型电子探测器51所包含的高感度相机记录荧光板上的二维电子强度图像。接着，再将所述铁磁性反射靶4沿-X’方向磁化，再次记录荧光板上的二维电子强度图像。由于基于两次测量得到的二维电子强度图像中某像素点的电子强度差正比于初始电子平面2上所对应位置的入射电子沿X’方向的自旋极化度，以上过程可以测量初始电子平面2上各点处入射电子沿X’方向的自旋极化度。

类似地，将所述铁磁性反射靶4分别沿+Z方向和-Z方向磁化，可以测量初始电子平面2上各点处入射电子沿Z方向的自旋极化度。

同样地，将所述铁磁性反射靶4分别沿+Y’方向和-Y’方向磁化，可以测量初始电子平面2上各点处入射电子沿Y’方向的自旋极化度，其中，Y’方向位于XY平面内，且与X’方向垂直。

本实施例的图像型电子自旋分析器采用铁磁性反射靶作为电子光学系统的一部分，不仅能够实现入射电子轨道与出射电子轨道的分离，还能够实现入射电子初始平面到与反射靶相对应的特定平面的第一次二维成像及经反射转移后的像平面到二维图像型电子探测器入口平面的第二次二维成像，最终实现自旋探测器初始平面处电子图像到二维图像型电子探测器入口平面的点到点二维成像，从而实现电子自旋的多通道测量。由于该两次成像过程中物像平面均与电子光学系统光轴相垂直，从而可以保证实现真正的二维成像。在这里，真正的二维成像是指不考虑像差的第一次成像像平面与反射靶相对应的特定平面完全重合、以及不考虑像差的第二次成像像平面与二维图像型电子探测器入口平面完全重合。

需要指出的时，电子自旋测量的效率与入射电子的能量相关，并非入射角度越小，电子自旋测量的效率越高。本实施例中采用45°入射角一方面便于电子光学系统及电子探测器的几何配置，透镜系统可采用较大的尺寸从而获得较小的像差，另一方面兼顾较高的电子自旋测量效率。

另外，由于电子光学系统加工误差、安装误差及环境磁场的影响，实际的电子光学系统存在非轴对称性，本实施例中，所述入射电子透镜组31及所述反射电子透镜组32优选采用非轴对称电透镜，可以用于补偿这种非轴对称性。该非轴对称电透镜可以是由圆柱形透镜一分为多而构筑的电多极透镜，包括但不限于四极透镜、六极透镜及八极透镜，可以通过调整多极透镜的各个极板的电压调整非轴对称电子光学特性。

如图4所示，四极透镜最简单的结构是将圆柱型透镜一分为四，分别作为第一极板e1、第二极板e2、第三极板e3及第四极板e4。若所述第一极板e1及所述第二极板e2处于电位U12，所述第三极板e3及所述第四极板e4处于电位U34，则通过调整电位U12与电位U34的电位差可以调整四极透镜在X方向及Y方向的焦距差。由于加工误差和安装误差及环境磁场的影响，电子束可能会偏离电子透镜轴线，在实际的电子光学系统中需要加装偏转器以补偿这些影响。本实用新型中的多极透镜在实现对电子光学系统非轴对称补偿的同时，也可以通过调整各极板的电位同时实现偏转器功能。具体地，调整所述第一极板e1与所述第二极板e2间的电压可以实现电子束在Y方向的偏转；同样调整所述第三极板e3与所述第四极板e4间的电压可以实现电子束在X方向的偏转。

本实施例的图像型电子自旋分析器为多通道的VLEED电子自旋分析器，其通过铁磁性反射靶的引入可以实现入射电子轨道和出射电子轨道的分离，使得增大电子透镜的尺寸成为可能，从而可以大幅度降低整个电子光学系统的像差。因此从初始电子平面处各个位置点出发的入射电子束经过电子光学系统聚焦、传输及反射后，在二维图像型电子探测器入口平面处形成的束斑非常小，相互之间不再重叠，因此，每一束斑能与初始电子平面处的相应位置点的入射电子束对应，也就是能区分入射电子的来源位置，实现电子自旋的多通道测量。

实施例二

本实施例与实施例一的不同之处在于，实施例一中反射电子透镜组的数量为一组，而本实施例中反射电子透镜组的数量为两组，分别为第一反射电子透镜组32’与第二反射电子透镜组33。所述图像型电子自旋分析器还包括反射靶法线方向调节装置(未图示)，以测量不同方向的电子自旋极化度，其中，当所述铁磁性反射靶4的法线方向为第一预设方向时，初始入射电子经由所述入射电子透镜组31以第一入射角θ₁入射至所述铁磁性反射靶4，所述入射电子透镜组31与所述第一反射电子透镜组32’的轴线夹角为2θ₁；当所述铁磁性反射靶4的法线方向为第二预设方向时，初始入射电子经由所述入射电子透镜组31以第二入射角θ₂入射至所述铁磁性反射靶4，所述入射电子透镜组31与所述第二反射电子透镜组33的轴线夹角为2θ₂。

下面以第一入射角θ₁与第二入射角θ₂均为45°来说明本实施例的技术方案，其中，所述入射电子透镜组31、所述第一反射电子透镜组32’及所述第二反射电子透镜组33的轴线互相垂直。

具体的，如图3所示，X轴、Y轴及Z轴相互垂直，所述电子光学系统中，入射电子透镜组31的轴线沿X轴，第一反射电子透镜组32’的轴线沿Y轴，第二反射电子透镜组33的轴线沿Z轴。入射电子束轴沿X轴，所述铁磁性反射靶4的法线方向在XY平面内且与入射电子束成45度夹角，即所述第一入射角θ₁为45度，所述入射电子透镜组31将初始电子平面2的电子成像在与X轴垂直的成像面上，经所述铁磁性反射靶4反射，此成像面转换成与Y轴垂直的成像面，所述第一反射电子透镜组32’将此成像面的电子强度分布成像到所述二维图像型电子探测器51入口平面上。将所述铁磁性反射靶4分别沿+Z方向和-Z方向磁化，可以测量初始电子平面2上各点处入射电子沿Z方向的自旋极化度。同样地，将所述铁磁性反射靶4分别沿在XY平面内与Y轴成45度角方向两次方向相反的磁化，可以测量初始电子平面2上各点处入射电子沿此方向的自旋极化度。

当使所述铁磁性反射靶4的法线方向在XZ平面内且与入射电子束成45度夹角时，所述入射电子透镜组31将初始电子平面2的电子成像在与X轴垂直的成像面上，经所述铁磁性反射靶4反射，此成像面转换成与Z轴垂直的成像面，所述第二反射电子透镜组33将此成像面的电子强度分布成像到所述二维图像型电子探测器52入口平面上。将所述铁磁性反射靶4分别沿+Y方向和-Y方向磁化，可以测量初始电子平面2上各点处入射电子沿Y方向的自旋极化度。同样地，将所述铁磁性反射靶4分别沿在XZ平面内与X轴成45度角方向两次方向相反的磁化，可以测量初始电子平面2上各点处入射电子沿此方向的自旋极化度。

这样，通过使所述铁磁性反射靶法线沿两个不同的方向，可以最终得到初始电子平面2上各点处入射电子沿Z及Y方向的自旋极化度，并通过联立方程解出初始电子平面2上各点处入射电子沿X方向的自旋极化度。

综上所述，本实用新型的图像型电子自旋分析器包括二维图像型电子探测器及电子光学系统，其中，所述电子光学系统包括铁磁性反射靶、入射电子透镜组及至少一反射电子透镜组。本实用新型利用铁磁性反射靶对具有不同自旋方向的电子的不同的反射率实现对电子自旋的测量，其中，铁磁性反射靶可以实现入射电子轨道和出射电子轨道的分离，从而避免电子光学系统及电子探测器的几何配置困难，并可以使透镜系统采用较大的尺寸从而获得较小的像差。由铁磁性反射靶与电子透镜组构建的电子光学系统能够实现成像面的转换，保证两次成像过程中物像平面均与电子光学系统光轴相垂直，从而能够实现对电子自旋的二维多通道测量。另外，相比现有的图像型VLEED电子自旋分析器，本实用新型的图像型电子自旋分析器无需引入磁场，结构更简单。所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (15)

1.一种图像型电子自旋分析器，其特征在于，包括：

二维图像型电子探测器；

电子光学系统，包括铁磁性反射靶、入射电子透镜组及至少一反射电子透镜组，所述入射电子透镜组用于使初始入射电子以入射角θ入射至所述铁磁性反射靶，其中10°≤θ＜90°，所述铁磁性反射靶用于在至少两种磁化方向下反射电子，所述反射电子透镜组用于使所述铁磁性反射靶反射的电子成像于所述二维图像型电子探测器。

2.根据权利要求1所述的图像型电子自旋分析器，其特征在于：所述铁磁性反射靶包括基板及形成于所述基板表面的铁磁性氧化铁膜，所述基板的材质包括氧化镁、氧化铝镁或钨单晶。

3.根据权利要求1所述的图像型电子自旋分析器，其特征在于：所述入射角θ选自15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、70°、80°和85°中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的图像型电子自旋分析器，其特征在于：所述入射电子透镜组与所述反射电子透镜组的轴线夹角为2θ。

5.根据权利要求4所述的图像型电子自旋分析器，其特征在于：所述入射电子透镜组与所述反射电子透镜组的轴线夹角为90°。

6.根据权利要求1所述的图像型电子自旋分析器，其特征在于：所述图像型电子自旋分析器还包括铁磁性反射靶法线方向调节装置，以测量不同方向的电子自旋极化度。

7.根据权利要求6所述的图像型电子自旋分析器，其特征在于：所述电子光学系统包括第一反射电子透镜组及第二反射电子透镜组；当所述铁磁性反射靶的法线方向为第一预设方向时，初始入射电子经由所述入射电子透镜组以第一入射角θ₁入射至所述铁磁性反射靶，所述入射电子透镜组与所述第一反射电子透镜组的轴线夹角为2θ₁；当所述铁磁性反射靶的法线方向为第二预设方向时，初始入射电子经由所述入射电子透镜组以第二入射角θ₂入射至所述铁磁性反射靶，所述入射电子透镜组与所述第二反射电子透镜组的轴线夹角为2θ₂。

8.根据权利要求7所述的图像型电子自旋分析器，其特征在于：所述入射电子透镜组、所述第一反射电子透镜组及所述第二反射电子透镜组的轴线互相垂直。

9.根据权利要求1所述的图像型电子自旋分析器，其特征在于：所述入射电子透镜组及所述反射电子透镜组包括非轴对称电子透镜。

10.根据权利要求9所述的图像型电子自旋分析器，其特征在于：所述非轴对称电子透镜采用电多级透镜，所述电多级透镜由圆柱形电透镜一分为多构筑而成。

11.根据权利要求10所述的图像型电子自旋分析器，其特征在于：所述电多级透镜采用电四级透镜。

12.根据权利要求10所述的图像型电子自旋分析器，其特征在于：通过调整所述电多级透镜的电极电压实现电子束的偏转。

13.根据权利要求1所述的图像型电子自旋分析器，其特征在于：所述二维图像型电子探测器包括微通道板、荧光板及相机。

14.根据权利要求1所述的图像型电子自旋分析器，其特征在于：所述二维图像型电子探测器包括微通道板及延迟线探测器。

15.根据权利要求1所述的图像型电子自旋分析器，其特征在于：所述二维图像型电子探测器包括半导体探测器阵列。

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