ARPES

Фотоэлектронный спектрометр с угловым разрешением

Фотоэлектронная спектроскопия с угловым разрешением (ARPES) обнаруживает электроны валентной зоны, испускаемые при облучении образца ультрафиолетовым излучением благодаря фотоэлектрическому эффекту. Обнаружение энергии и углового распределения фотоэлектронов с высочайшим разрешением позволяет определить электронную структуру твердых тел.

Фотоэлектронная спектроскопия (PES) - один из самых мощных и наиболее часто используемых спектроскопических методов в физике твердых тел, физической химии и материаловедении. Используя фотоэлектрический эффект, PES предоставляет современным ученым чувствительный к материалам неразрушающий зонд для изучения химического состава (XPS или ESCA) и электронной структуры (UPS и ARPES) материалов. При освещении образца светом с определенной энергией фотонов (hv) электроны высвобождаются из твердого тела, используя энергию фотонов для преодоления их энергии связи (Eb) и рабочей функции (Φ). Оставшаяся энергия, выделяемая фотонами, преобразуется в кинетическую энергию (Ekin) фотоэлектронов. Такой переход может произойти только из занятых электронных состояний с энергией Ei в незанятые состояния с энергией Ef из-за правила сохранения энергии.

Ekin=hv-Eb-∅

В частном случае UPS и ARPES в фокусе анализа находятся только электроны самых верхних электронных состояний, близких к уровню Ферми. Эти электроны образуют зону проводимости (валентные зоны и поверхностные состояния) в случае металлов и полупроводников и представляют особый интерес для современного материаловедения. Их волновой вектор (или импульс) k (kx, ky, kz), и энергия должны сохраняться в процессе фотоэмиссии. Это приводит к различным характерным углам излучения электрона с поверхности в зависимости от их импульса внутри материала. В результате можно записать интенсивность фотоэмиссии (I) как функцию кинетической энергии (Ekin), предоставляя химическую/энергетическую информацию, и угол излучения, обеспечивая импульс (k) электронов.

Поверхность нарушает геометрию, не влияя на правило сохранения энергии, но влияя на сохранение импульса таким образом, что параллельная волновая составляющая kӀӀ (что означает kx и ky) сохраняется после пересечения поверхности, тогда как составляющая вдоль нормали к поверхности (k┴) не сохраняется. Электроны могут быть проанализированы в электронном анализаторе относительно их Ekin (или пересчитаны в Eb) и в Θ (или пересчитаны в составляющую параллельного волнового вектора (kӀӀ). На этой основе измеряется двумерное распределение электронов для заданных Ekin и kӀӀ, непосредственно отражающее электронную (или полосовую) структуру материала.

Современные анализаторы и системы анализа поверхности предлагают возможность получить второй угол эмиссии, наклоняя образец вдоль оси y или используя встроенный картографический дефлектор внутри электронной линзы. Сдвигая угол излучения во втором измерении, можно получить двумерную карту полос в измерениях kx и ky. Импульс вне плоскости kz может быть изменен путем изменения энергии фотонов источника возбуждающего света.

Для проведения таких экспериментов в лабораторных условиях требуются мощные точечные источники ультрафиолетового излучения небольшого размера с высокой стабильностью для оптимальной производительности. Интенсивность источника излучения является ключевым моментом для быстрых и эффективных измерений, в то время как небольшие размеры пятна электронного пучка обеспечивают измерения с наивысшим разрешением по углу (или импульсу). 

Помимо энергии и импульса, для научного анализа можно учитывать и другие измерения, например, спин электрона или даже пути возбуждения электронов в реальном пространстве для анализа малых пятен электронного пучка. Используя блок детектирования, чувствительный к вращению, можно измерить разницу интенсивностей между электронами с большим и меньшим спином (вращение вверх и вниз) и вычислить так называемую функцию асимметрии.

В ARPES (и в фотоэмиссии в целом) собранные электроны возникают из возбужденного состояния. Однако в большинстве случаев для того, чтобы сделать выводы об электронной структуре твердого тела, достаточно предположить, что конечное состояние достаточно похоже на основное состояние.

Лабораторная система ARPES с анализатором R200D

Системы ARPES  "под ключ" для лабораторных применений с анализаторам R200D

Лабороторная система  ARPES - это полностью оборудованная система сверхвысокочастотного анализа для современного анализа поверхности, включая ARPES и XPS. 

Система ARPES поставляется с анализаторами R200D в сочетании со сверхнизкотемпературным манипулятором, сложной системой обработки образцов и монохроматизированным точечным источником ультрафиолетового и рентгеновского излучения. Модуль анализа основан на специальной камере из µ-металла, оптимизированной для анализа с низкой кинетической энергией. В комплект входит специальный модуль подготовки поверхности для научных исследований со всеми необходимыми методами (очистка поверхности, LEED, осаждение, хранение образцов), а также шлюз для быстрой загрузки.

Типичный вакуум, достигаемый в системах, лучше, чем 2 x 10-10 мбар, достигаемый в сборке. Возможно достижение конечного давления в диапазоне 10-11 мбар. Стандартная конфигурация насоса состоит из ионно-геттерного насоса (IGP), титанового сублимационного насоса (TSP) и турбомолекулярного насоса (TMP) с подключением к черновому вакууму. По запросу доступны различные конфигурации насосов, включая крионасосы, насосы большего размера, а также насосы NEG.

Все системы оснащены жестким каркасом и включают в себя камеры для отжига с автоматизированными системами обогрева. В электронном шкафу находится вся необходимая электроника, основной источник питания и коммуникационная платформа на основе TCP/IP для блоков управления.

Все системы готовы к подключению к другим модулям. Также по запросу может быть протестировано подключение к существующим системам.

Основные элементы системы

Полусферический анализатор R200D

R200D - это широкоугольная линзовая структура с 200-миллиметровой полусферой и сверхвысоким энергетическим разрешением. Он специально разработан для приложений фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением (ARPES) и может быстро и точно измерять структуры зон.

R200D также совместим с функциями измерения XPS/UPS.

Технические характеристики:

 μ- CHAMBER - сверхвысоковакуумная магнитная экранирующая полость

В μ - CHAMBER используются камеры из чистого μ-металла или нержавеющей стали и двойные (одинарные) слои μ-камеры сверхвысокого вакуума, изготовленные из металлической футеровки.

 При соблюдении требований сверхвысокого вакуума остаточное магнитное поле в центре камеры может быть экранировано ниже оптимального значения 1 мГаусс.

Технические характеристики:

Шестиосевой циркуляционный низкотемпературный столик для образцов 6A4K

Шестиосевой циркуляционный низкотемпературный столик для образцов 6A4K - это низкотемпературный столик для образцов, разработанный специально для применения в системе ARPES с высоким разрешением, совместимый с методами охлаждения с открытым и закрытым циклом.

Его главная особенность - компактная и стабильная конструкция, при этом в идеальных условиях достигается минимальная температура образца 4K. Его главной особенностью является компактная и стабильная конструкция, обеспечивающая минимальную температуру образца 4K в идеальных условиях. Радиус поворота составляет всего 38 мм, что позволяет выполнять измерения под большим углом.

Использование системы управления PLC обеспечивает стабильность работы в режиме полного рабочего дня.

Технические характеристики:

Монохромный источник ультрафиолетового излучения VUV 430-AF-MONO

VUV430-AF использует радиочастотные микроволны для прямого возбуждения инертных газов с образованием стабильной плазмы, которая может быть применена для возбуждения спектров He, Xe, Kr и т.д.

Сочетание решетчатого монохроматора с тороидальной формой позволяет получать монохроматические спектры и применять их для ARPES-измерений.

В передней части монохроматора расположена эллипсоидная фокусирующая система, позволяющая осуществлять микрофокусировку ультрафиолетового излучения в условиях высокой пропускной способности.

Технические характеристики:

Дополнительные элементы системы

Двуханодный источник рентгеновского излучения XR40

Прибор XR40 разработан специально для XPS (РФЭС) и использует современный высокоинтенсивный источник рентгеновского излучения с двумя анодами.

Технические характеристики:

Высокоэффективный монохроматический источник рентгеновского излучения μXR600

Малогабаритный точечный монохроматор μXR600 работает в соответствии с законом Брэгга о дифракции рентгеновских лучей. Рентгеновские лучи одной длины волны отражаются от кварцевого монокристаллического зеркала под определенным углом отражения. Высокое рассеивание энергии рентгеновского излучения достигается за счет использования зеркала с диаметром круга Роуланда 600 мм. Длина порта для модели μXR600 составляет 254 мм.  На корпусе монохроматора имеется подвижное окно из алюминизированного полимера (шторка) для дифференциальной накачки или для экранирования кристаллической сборки во время напыления.

Монохроматор μXR600 оснащен микрофокусным высокоэффективным рентгеновским источником XR 40 MF, который специально разработан для использования с монохроматором. Этот небольшой точечный источник оснащен Al-анодом. Монохроматор μXR600 вместе с микрофокусным рентгеновским источником XR 50 MF идеально подходит для измерений XPS в малых пятнах, с высоким разрешением и высокой интенсивностью.

Основные характеристики

Размер пятна на образце: от 200 мкм до 1 мм
Монохроматическое возбуждение Al Ka с высоким энергетическим разрешением для самых требовательных рентгеновских измерений
Высокий поток фотонов до 2 х 1010 фотонов/с
Круг Роуленда диаметром 600 мм
Насосное отверстие для дифференциальной перекачки.

Технические характеристики:

Сканирующая ионная пушка AG40S

AG40S - дифференциальная сканирующая ионная пушка, обычно используемая для генерации ионов Ar+argon для очистки образца или основы.

Ее оптимальный размер фокусировки может достигать 125 мкм. Диапазон сканирования может достигать 10 x 10 мм2, что может быть тесно согласовано с микрофокусированным источником рентгеновского излучения для достижения многоточечного измерения глубины XPS (РФЭС)-анализа.

Технические характеристики:

Ионная пушка AG40

AG40 - это компактная ионная пушка. Обычно используется для генерации ионов газа Ar+argon для очистки образцов или оснований.

Технические характеристики:

Нейтрализующая электронная пушка FG40

FG40 - это компактная, простая в эксплуатации и надежная электронная пушка для нейтрализации электронов в заряженных изоляторах и полупроводниках.

Она может использоваться для компенсации заряда в экспериментах XPS/AES и SIMS в диапазоне энергий 0-500 эВ.

Технические характеристики:

Электронная пушка EG40S

Электронная пушка EG40S - это стабильный и надежный источник электронов с фокусировкой, сканированием и высоким током пучка.

Может применяться для оже-электронной спектроскопии (AES), сканирующей и оже-электронной микроскопии (SAM/SEM), спектроскопии потерь энергии электронов (EELS) или электронно-импульсной спеткроскопии.

Технические характеристики: