JP2535771B2 - 逆光電子分光用帯域幅可変光検出器 - Google Patents

逆光電子分光用帯域幅可変光検出器

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は逆光電子分光用帯域幅可
変光検出器に係り、本発明の属する技術分野は電子技
術、光技術であって、高分解能逆光電子分光装置に使用
されるものである。
【0002】
【従来の技術】逆光電子分光用帯域フィルター型光検出
器はロ−・カット及びハイ−・カットフィルターの単純
な組み合わせで構成され、最近開発された最も性能のよ
い検出器ではロ−・カットフィルターとしてKCl薄膜
を表面に蒸着したCu−BeOを第1ダイノードに持つ
光電子倍増管が、またハイ−・カットフィルターとして
SrF2 単結晶窓が採用され、図1のような特性(中心
エネルギー9.40eV、半値幅0.47eV)が用いられてい
る。
【0003】この帯域フィルター型光検出器は、構造が
単純で動作の安定性も高いという特徴をもつ。しかし、
得られる分解能はせいぜい0.47eV程度であった。
【0004】光電子分光と逆光電子分光はそれぞれ物質
中の占有準位と非占有準位を直接観測する手段であり、
互いに相補的な関係にある。現在光電子分光の標準的な
分解能は0.3 eV程度である。逆光電子分光スぺクトル
と光電子スぺクトルを用い、占有準位と非占有準位を同
程度の精度で調べることは物質研究にとって極めて望ま
しいことである。このことを実現するためには、帯域フ
ィルター型光検出器の帯域幅を0.3 eV程度まで狭くす
る必要がある。
【発明が解決しようとする課題】
【0005】一般的に、高分解能を行なおうとするとそ
れに伴って検出感度が低下する。この帯域フィルター型
光検出器の場合も同様である。測定試料の表面が真空中
で不安定なものの場合、長時間信号を積算するような実
験は不可能になる。この場合は、分解能を犠牲にして、
検出感度を高めることが要求される。従来の帯域フィル
ター型光検出器で、実験中に帯域幅を変化させることは
不可能である。従って、高分解能を実用化するために
は、検出感度がある程度低くても分解能の高い検出器
と、感度の高い検出器を2つ装置内に組み込んだものを
考える必要がある。
【0006】光電子分光と逆光電子分光は占有、非占有
電子状態に関する情報を提供し、両者の情報を合わせて
初めて物質の電子状態の全容が明らかにされる。通常の
光電子分光の分解能は約0.3 eVで逆光電子分光の分解
能は約0.5 eV程度である。従って、両者のデーターを
比較検討する上で、同等の分解能にする必要がある。逆
光電子分光は、単色化した電子線を試料に照射し、試料
表面から放出される光の中である単一のエネルギー成分
に着目し、電子線のエネルギーの関数としてその光の強
度を観測することで、試料の非占有電子状態を知る方法
である。電子線のエネルギー幅は、電子源の熱電子の広
がりで決まり、約0.25eVである。一方帯域フィルター
型光検出器の帯域幅は、従来の最小なもので約0.47eV
であり最近の技術開発により0.35eVにまで向上してき
た。しかし、光電子分光と同程度の分解能にするために
は、光検出器の帯域幅を、電子線の幅0.25eV程度まで
狭くする必要がある。
【0007】一般に、分解能を高めると、検出感度が低
下する。逆光電子分光用帯域フィルター型光検出器の場
合も同様で、半値幅を小さくすると検出器の感度は低下
し、測定に多くの時間を必要とする。一方、半値幅を大
きくすると感度は向上し、短時間で測定が終了できる。
一般に、分解能を優先するか感度を優先するかは、測定
に要する時間の制約と、測定する物質が、逆光電子分光
測定を行う超高真空中で安定か否かで決められる。
【課題を解決するための手段】
【0008】本発明は、従来よりも高い分解能(通常の
光電子分光と同程度またはそれ以上)から低い分解能ま
で連続的に変化させる技術であり、実際の高分解能実験
で威力を発揮することが必要になる。
【0009】本発明は、上述の分解能を優先するか、感
度を優先するかの選択を可能にするもので、実験中に実
験装置を変更することなく、帯域フィルターの半値幅を
電気的に制御することによりこの選択を可能とするもの
である。本発明によるとこれにより、実験時間を大幅に
節約でき、また長時間測定に適さない物質の測定も、分
解能をある程度犠牲にして感度を高めることで対応で
き、本発明は物性研究に大いに貢献する。
【0010】本発明は、電子銃よりの電子線を試料に当
てその反射光を集光し、光検出を行う逆光電子分光装置
の光検出器において、前記光検出器の光電子増倍管の前
面にKCl薄膜を蒸着したLiF単結晶窓とCaF2
結晶窓とを設け、これら窓に液体窒素温度付近から150
℃程度まで温度を任意に設定できる手段を設け、前記光
電子増倍管の第1ダイノードの表面にKCl薄膜を蒸着
したものより成り、前記光電子増倍管の出力側を増幅器
を介してパルス計数回路に接続し、逆光電子分光用帯域
フィルターとしての光吸収特性、窓の透過率、感度より
選ばれた特性を測定するよう構成したことを特徴とする
逆光電子分光用帯域幅可変光検出器にある。〔構成〕
【0011】本発明の具体例を以下図面について詳細に
説明する。図2は逆光電子分光装置の原理を示す概略図
であり、1は電子銃、2はそれより放射される電子線、
3は試料であり、電子銃1より放射された電子線2は試
料3に当り、試料3より放出された光4が集光鏡5に当
って集光され、光検出器6に投射される。
【0012】図3は本発明の逆光電子分光用帯域幅可変
光検出器の原理を示す概略図である。図3において、図
2の光検出器に組込まれる逆光電子分光装置の構成を示
す。図3において、7はKCl薄膜を表面に100 Å蒸着
したLiF単結晶窓でこのLiF単結晶窓7は液体窒素
8を収納したクライオスタット9で冷却され液体窒素温
度近辺まで冷却されているものとする。10は熱電対、11
はヒーターを示す。12はCaF2 単結晶窓を示し、Li
F単結晶窓7と同じく、液体窒素8を収納したクライオ
スタット9に支持され、熱電対10、ヒーター11より成る
温度調整装置が付設される。
【0013】図3に示す光14は図2の光検出器6に入射
される光であり、これが液体窒素温度まで冷却されたL
iF単結晶窓7と、CaF2 単結晶窓12を通った光はソ
ーラーブラインド型(HTV:R−595 等)の光電子増
幅管15のKCl薄膜を表面に1000Å蒸着した第1ダイノ
ード16に入射する。
【0014】図2の光検出器6に入射した光は、図3に
示すKCl薄膜を被覆したLiF単結晶7とCaF2
結晶窓12の2枚の窓を通過する。LiF結晶窓7の遮断
エネルギーは12eV(室温)で、CaF2 単結晶窓12の
遮断エネルギー10eV(室温)であり、結局図4に示す
ように、約10eV以上の光は、通過できないことにな
る。図4は窓の透過率のエネルギー依存性を示す。
【0015】図5に示すようにKCl薄膜は、強く鋭い
光吸収ピークを約9.5 eVと約8eVにもち、低温に冷
却されることでその特性は強調され、吸収構造が鋭くか
つ大きくなる。この効果により、室温で同じ150 Åの膜
厚が必要なところを100 Å程度の膜厚でほぼ同じ効果が
得られる。さらに9.8 eV近傍のKCl薄膜の吸収が、
低温で室温よりもわずかに小さくなるため、CaF2
晶窓の遮断エネルギー手前の9.8 eV近傍の光が通過し
やすく、かつ9.5 eV近傍の光が通過しにくい状況が造
られる。
【0016】LiF単結晶窓7、CaF2 単結晶窓12を
通過した光は光検出器6の第1ダイノード16をもつ光電
子増倍管15に入射する。ここで、光はKCl薄膜(膜厚
1000Å)に当り、表面から光電子が発生し、光電子増倍
管15で増幅される。KCl薄膜の光電子放出特性は、約
8eV近傍から放出されはじめ9eV近傍から急激に増
大する。LiF単結晶窓7とCaF2 単結晶窓12との組
合せは、CaF2 単結晶窓の遮断エネルギー(約10e
V)近傍にバンドパス的な構造をもつハイ−・カットフ
ィルターになっており、光電子増倍管15と第1ダイノー
ド16の組合せは、9eV近傍以上で高い感度を持つた
め、ロ−・カットフィルターとなっている。
【0017】光電子増倍管15と第1ダイノード16とLi
F単結晶窓7とCaF2 単結晶窓12との組合せで、9.8
eVにピークをもつバンドパス特性が得られる。CaF
2 単結晶窓の温度は低温(液体窒素温度)から高温(約
150 ℃)まで変化でき、任意の温度で保てるようになっ
ている。CaF2 単結晶窓12の遮断エネルギーは室温で
約10eVで、低温にすると高エネルギー側に移動し、高
温に加熱すると低エネルギー側に移動する。すなわち高
温側150 ℃まで加熱すると約0.3 eVの低エネルギーに
移動する。帯域フィルター型の特性の高エネルギー側の
特性が、CaF2 単結晶窓12の遮断特性で決められてい
るため、CaF2 単結晶窓12の温度を変化させることで
帯域幅が変化する。150 ℃まで加熱すると帯域幅が約0.
2eVにまで小さくなる。室温では0.35eVである。こ
の範囲で任意の半値幅を設定できる。
【0018】
【実施例】本発明の逆光電子分光用帯域幅可変光検出器
を具体的実施例について説明する。光検出器の構造は、
図8の通りである。図8は図2の光検出器6の具体的構
成の一例を示すもので、14は図3に示す入射光、7はK
Cl薄膜を100 Å蒸着したLiF単結晶窓、12はCaF
2 単結晶窓を示し、15は光電子増倍管、16はKClを10
00Åの薄膜で蒸着した第1ダイノードを示す。17は光電
子増倍管15の出力側に接続した増幅器、18はパルス計数
回路を示す。
【0019】CaF2 単結晶窓の光の透過特性はロ−パ
スフィルターの特性を示し、励起子吸収のはじまる10e
V近傍で吸収係数が急激に大きくなり、このカットオフ
エネルギー以上では、光が透過しなくなる。一方このカ
ットオフエネルギー以下のエネルギーをもつ光に対して
CaF2 単結晶窓は透明であり、透過特性がほとんど平
坦になっている。
【0020】カットオフエネルギーがエキシトンの吸収
位置で生じているため、結晶温度でその位置が変化す
る。実際にこの吸収のはじまる位置は結晶温度を液体窒
素温度(74K)から375 Kまで変化させると図9
(A),(B)のように変化する。
【0021】温度を変化させた場合でも、吸収端以下の
エネルギー領域での透過特性は平坦であり、まさにカッ
トオフ可変ロ−パスフィルターが実現されることにな
る。次にKClを1000Å蒸着した第1ダイノード16を有
する光電子増倍管15の光検出特性について説明する。第
1ダイノード16はCuBe−Oでできており、この第1
ダイノード16の光電子収量は約6eV付近から有限な値
を示し、光エネルギーの増大とともに急激に増加する。
この第1ダイノード16の表面にKCl薄膜を蒸着する
と、この光電子収量特性が変化し、光エネルギーに対し
てより急激に増大するようになる(図10参照)。これ
は、KCl薄膜の光電子収量特性を反映しているためで
ある。KClはイオン結晶でそれ自身絶縁体である。し
たがって、光電子を取り出すと帯電してしまい、あまり
厚くKCl薄膜を蒸着すると収量が減少してしまうこと
になる。一方あまりに薄いとKCl薄膜の収量の寄与が
小さく、光電子収量は減ってしまう。したがって最適な
KCl薄膜の膜厚を選定する必要があるわけである。
【0022】KCl薄膜の膜厚を増やして光電子収量を
測定すると、図10に示すように1000Å付近までほぼ単調
に収量が増大するのがわかった。それ以上の膜厚では飽
和の傾向を示す。光電子収量の膜厚依存性をさらに詳し
く観測すると、8eV付近の光電子収量が1000Å付近で
小さくなることがわかった。したがって、1000Å膜厚の
KCl薄膜を蒸着することで8eV付近の光電子収量を
減らし9eV以降で急激に増大する特性を実現すること
ができる。
【0023】第1ダイノード16からの光電子19は複数段
の二次電子倍増用の電極20で106 程度に増幅されコレク
ター21に集められ、増幅器(プリアンプ)17で増幅した
のちパルス計数回路18でその強度を観測する。この光電
子増倍管15の特性は、光エネルギーに対してバイパスフ
ィルターになっている。したがって、そのカットオフエ
ネルギーは、KClの光電子収量の立ち上がりで決まり
約9eV付近に位置する。
【0024】CaF2 単結晶窓12とKCl薄膜を蒸着し
た光電子増倍管15の第1ダイノード16の組合せ(すなわ
ち、ロ−パスフィルターとハイパスフィルターの組み合
わせ)でバンドパスフィルターが実現でき、両者のカッ
トオフエネルギーの差がバンド幅になる。実際の特性は
理想的なステップ関数状のフィルター特性を示さず、カ
ットオフ付近でなだらかに変化するので、得られるバン
ドパス特性は、両者の立ち上がり特性を反映にて非対称
なピーク構造を示す。(図11参照)
【0025】ロ−パスフィルターのカットオフ特性はエ
キシトンの吸収を用いているため、良質なCaF2 単結
晶窓では、シャープであるが、ハイパスフィルターのカ
ットオフはKCl薄膜のバンド間の遷移を反映した光電
子収量特性で構成されているため比較的なだらかになっ
てしまう。バンドパスの半値幅を小さくするためには、
ハイパスフィルターの特性を改善する必要がでてくる。
そこで登場したのがKCl薄膜を蒸着したLiF単結晶
窓7である。
【0026】KCl薄膜の透過特性は、9.5 eV付近に
鋭いエキシトンの吸収特性をもち、この吸収位置はロ−
パスフィルターのカットオフよりもわずかに低エネルギ
ーに位置し、ハイパスフィルターのカットオフの位置に
あたる。(図12参照)
【0027】前述の光電子増倍管15の第1ダイノードに
KCl薄膜を組み合わせることでカットオフの改善され
たハイパスフィルターが実現される。LiF結晶窓7の
透過特性は11eV付近まで透明であり、KCl蒸着薄膜
の基盤として使用している。これら、三者を組み合わせ
ることで、中心エネルギー9.9 eV、半値幅0.37eVの
バンドパス特性が得られる。(図13参照)
【0028】CaF2 単結晶窓12の透過特性は理想的な
ロ−パスフィルターに近い特性であり、そのカットオフ
は結晶の温度で決定される特性をもっている。CaF2
単結晶窓12を低温に冷却すると、カットオフエネルギー
は高エネルギー側にシフトし、逆に高温に加熱すると低
エネルギー側にシフトする(図9(A),(B)参
照)。そのため、バンドパスフィルターの特性は、高エ
ネルギーのカットオフの変化に対応した特性の変化を示
し、CaF2 単結晶窓12を高温に加熱するとバンド幅が
増大し、冷却するとバンド幅が減少する。バンド幅の変
化の他に感度、中心エネルギー位置の変化も伴うが、温
度の関数として較正することで、逆光電子分光測定に使
用可能となる。(図14参照)
【0029】高い分解能で測定する場合、どうしても測
定感度の低下を伴うため、通常の分解能で測定する場合
よりも多くの時間を必要とする。実際の測定では高い分
解能での測定が好ましいが、測定時間との関連で分解能
をある程度犠牲にして感度向上をはかる必要がでてく
る。そのとき、本発明の帯域幅可変光検出器6が有用に
なる。この光検出器6はあらかじめ校正しておくことで
利用可能となる。これは、KCl薄膜を蒸着した窓を利
用した高分解能化された光検出器6と同じ構造で、図3
のように温度可変機構を追加することで新たな特性が得
られることを意味している。
【0030】CaF2 単結晶窓12に直接KCl薄膜を蒸
着しても理論的には同様の性能が得られるが、温度可変
機構が追加され、加熱される状況では、KCl薄膜とC
aF2 単結晶窓の反応が問題となる可能性が高く、あえ
てLiF単結晶窓7をもうけてKCl薄膜の基板とした
方が好ましい結果が得られた。
【0031】
【発明の効果】窓の結晶を加熱するという単純な方法
で、従来の帯域幅0.35eVから0.2 eVの狭帯域幅まで
連続的に変化できる。逆に冷却すると、帯域幅は広が
り、液体窒素温度で帯域幅は約0.9 eVまで広がる。検
出感度は帯域幅が広いほど高く、狭帯域幅では感度は低
くなる。すべての物質を多くの時間を費やして高分解能
で測定することは少なく、物質によってはできるだけ短
時間で測定しなければならない場合もある(例えば有機
物質、表面の不安定な物質など)。また同一試料におい
ても、全体を低分解能で測定し、極く一部を高分解能で
測定したい場合もある。光検出器の分解能を任意に(範
囲は限られるが)設定できることで効率的である。従来
の技術では、複数の装置を必要とした測定が、本発明に
より1台の装置で可能となる工業上だなる利点がある。
【0032】本発明の逆光電子分光用帯域フィルター型
光検出器は、ハイ−・カットフィルターとしてCaF2
単結晶窓が用いられ、ロ−・カットフィルターとして真
空紫外線のエネルギー領域以上の領域で感度をもつ光電
子増倍管を用いている。この基本構成に加えて、性能の
向上のために、光の通過領域のLiF単結晶窓7及びC
aF2 単結晶窓12にKCl薄膜を被着し、KCl薄膜固
有の吸収特性を用いて、帯域フィルターの低エネルギー
側の特性を改善している。また、光電子増倍管の光電面
には感度を高める物質(通常KCl薄膜)が蒸着されて
いる。本発明では、ここで用いられている、CaF2
結晶窓及びKCl薄膜の光吸収特性の温度依存性に着目
し、帯域幅及び感度を改善しつつ、帯域幅を任意に設定
できるようにしたのが特徴である。
【0033】KCl薄膜の光吸収特性は図5に示したよ
うに、低温で9.5 eV近傍の吸収が鋭く大きくなる、ま
たバンドパス領域の9.8 eV近傍の吸収が小さくなり光
が通過しやすくなる。吸収が低温で大きくなることか
ら、より薄い膜厚で同様の吸収量が得られることにな
り、室温では150 Å必要とした膜厚を100 Å程度まで薄
くできる。これによりさらに、バンドパス領域の光を透
過しやすくなる。
【0034】CaF2 単結晶窓12の遮断エネルギーの温
度依存性は、高温で低エネルギー側に移動し、低温で高
エネルギー側に移動する。吸収の鋭さ、及び透過領域で
の透過率の変化は小さく無視できる。このCaF2 単結
晶窓の温度制御により、帯域幅を任意に設定できる(図
7参照)。帯域幅をある程度任意に設定できることによ
って、本発明者の目的に応じた測定が可能となった。
【0035】この、帯域幅可変機構は、CaF2 単結晶
以外のSrF2 ,MgF2 ,LiFより選択された単結
晶窓をハイ−・カットフィルターとして用いた帯域フィ
ルター型光検出器にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は従来の逆光電子分光用帯域フィルター型
光検出器の特性図である。
【図2】図2は本発明の逆光電子分光用帯域幅可変光検
出器の原理を示す概略図である。
【図3】図3は本発明の光検出器の実施の一例を示す原
理説明用構成配置図である。
【図4】図4は本発明光検出器の窓の透過率のエネルギ
ー依存性を示す特性図である。
【図5】図5は本発明光検出器のKCl薄膜の光吸収特
性図である。
【図6】図6は本発明光検出器のKCl薄膜を蒸着した
光電子増倍管の感度特性図である。
【図7】図7は本発明の帯域幅可変光検出器の帯域フィ
ルターの特性図である。
【図8】図8は本発明の光検出器の具体的構成を示す原
理説明用図である。
【図9】図9(A),(B)は74K,273 K,275 Kに
おけるフォトンエネルギーに対する吸収率の温度依存性
及び伝送係数の温度依存性を示す特性図である。
【図10】図10は本発明光検出器の1000Å,1500Å,50
0 ÅのKCl薄膜蒸着による光電子収量特性図である。
【図11】図11は本発明光検出器のCaF2 単結晶窓と
KCl蒸着した光電子増倍管の第1ダイノードを組み合
わせた非対称なピーク構造を示すバンドパスフィルター
特性図である。
【図12】図12は本発明の光検出器のKCl薄膜蒸着し
たLiF単結晶窓の透過特性図である。
【図13】図13は本発明の光検出器のKCl蒸着膜の基
盤としてLiF単結晶窓を使用した透過特性図である。
【図14】図14は本発明の光検出器のバンドパスフィル
ターの温度依存性を示す特性図である。
【符号の説明】
1 電子銃 2 電子線 3 試料 4 反射光 5 集光鏡 6 光検出器 7 KCl薄膜を蒸着したLiF単結晶窓 8 液体窒素 9 クライオスタット 10 熱電対 11 ヒーター 12 KCl薄膜を被着したCaF2 単結晶窓 13 KCl薄膜 14 光 15 光電子増倍管 16 第1ダイノード

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電子銃よりの電子線を試料に当てその反
    射光を集光し、光検出を行う逆光電子分光装置の光検出
    器において、前記光検出器の光電子増倍管の前面にKC
    l薄膜を蒸着したLiF単結晶窓とCaF2 単結晶窓と
    を設け、これら窓に液体窒素温度付近から150 ℃程度ま
    で温度を任意に設定できる手段を設け、前記光電子増倍
    管の第1ダイノードの表面にKCl薄膜を蒸着したもの
    より成り、前記光電子増倍管の出力側を増幅器を介して
    パルス計数回路に接続し、逆光電子分光用帯域フィルタ
    ーとしての光吸収特性、窓の透過率、感度より選ばれた
    特性を測定するよう構成したことを特徴とする逆光電子
    分光用帯域幅可変光検出器。
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