一、實(shí)驗(yàn)站簡(jiǎn)介

物質(zhì)世界在宏觀上體現(xiàn)出豐富多彩的電學(xué)、磁學(xué)、熱力學(xué)及光學(xué)特性，探索和理解這些特性產(chǎn)生的根源則是人類孜孜不倦予以追求的目標(biāo)。我們所知道的是所有構(gòu)成物質(zhì)世界的元素具有不同名稱，但它們卻是由相同的基本粒子—電子作為介質(zhì)將這些元素聚合到一起的。光電子能譜實(shí)驗(yàn)（photoemission spectroscopy）就是研究這些電子行為最為直接、也是最為有效的一種方法。這里舉一個(gè)例子，單質(zhì)元素或其合金的超導(dǎo)性（~20K或20K以下）在上世紀(jì)初即被發(fā)現(xiàn)，其超導(dǎo)機(jī)制—電子之間的相互作用機(jī)理—的理論解釋在50年后才實(shí)現(xiàn)。在上世紀(jì)80年代發(fā)現(xiàn)統(tǒng)稱為強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系的陶瓷材料具有高溫超導(dǎo)特性—其居里溫度最高到160K。在這個(gè)新型宏觀電學(xué)特性面前，已經(jīng)建立起來的理論體系失效，電子之間什么樣的相互作用導(dǎo)致在如此高的溫度下形成Cooper電子對(duì)，現(xiàn)象與其根源之間存在的鴻溝需要有大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)牽線搭橋。光電子能譜實(shí)驗(yàn)研究正是理解電子之間相互作用機(jī)理獨(dú)特作用的有效方法之一。

北京同步輻射實(shí)驗(yàn)室光電子能譜實(shí)驗(yàn)站（4B9B），自1992年開始對(duì)用戶開放已經(jīng)過去30年。在這30年間得到國(guó)內(nèi)許多用戶群體（清華、北大、復(fù)旦、浙大、物理所等大學(xué)和研究所相關(guān)課題組人員）的大力支持，在此對(duì)各位的支持和關(guān)注表示感謝。

二、束線結(jié)構(gòu)和基本參數(shù)（含樣品處光束性能）

圖1 4B9B 束線結(jié)構(gòu)

圖 2?同步輻射專用光、兼用光與改造前專用光4B9B光束線接收光強(qiáng)比較

?樣品處光源參數(shù)

1, 能量范圍 ：10～1000eV

2, 光通量(photons/s)：>1×10¹⁰

3, 能量分辨率：~1500　?

4, 光斑尺寸（H×V）： <2×0.8 mm²

三、實(shí)驗(yàn)站主要設(shè)備

1. 測(cè)量設(shè)備

·角積分能量分析器（R4000）

·角分辨電子能量分析器（R4000）

·低能電子衍射儀（LEED）

·反射高能電子衍射儀（RHEED）

· 殘余氣體分析儀

2. 樣品制備及處理

·氬離子轟擊制備清潔表面

·從300K 到1000 K進(jìn)行樣品加熱

·用激光分子束外延(LMBE)方法生長(zhǎng)氧化物及難熔材料

·多種氣體管路及微調(diào)閥用于制備吸收表面

·分析室樣品架可低溫（6K）測(cè)試

3. 樣品傳送：由于上述過程均在超高真空條件下完成，樣品必須經(jīng)快速進(jìn)樣室送入預(yù)備室預(yù)抽后，進(jìn)而傳遞進(jìn)入預(yù)備室、分析室、分子束外延室或激光分子束外延室。

4. 控制：以下所列均由一臺(tái)主機(jī)控制

·實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)

·球面光柵的切換和轉(zhuǎn)動(dòng)：用于選擇光子能量及用于CFS, CIS 實(shí)驗(yàn)的光子能量掃描

·前置鏡的姿態(tài)調(diào)節(jié)

5. 真空系統(tǒng)：分為分析室，制備室和外延生長(zhǎng)室。系統(tǒng)真空好于5×10－10Torr。

四、基本原理、優(yōu)點(diǎn)和研究領(lǐng)域

圖3 光電子能譜原理圖

光子入射到固體表面激發(fā)出光電子，利用能量分析器對(duì)光電子進(jìn)行分析的實(shí)驗(yàn)技術(shù)稱為光電子能譜，基本關(guān)系式為：Ek=hν-Eb-φ。同步輻射光電子能譜以單色化的同步光作為激發(fā)光源，是研究材料表面和界面電子及原子結(jié)構(gòu)的最重要手段之一。

其主要特點(diǎn)是：

1、由于光源的光子能量可以連續(xù)改變，將光電子能譜的研究對(duì)象拓展到包括占據(jù)態(tài)和空態(tài)兩者；

2、通過測(cè)得的光電子能譜譜峰隨光子能量和/或光電子發(fā)射角的變化，可以推知被測(cè)樣品中電子的能量狀態(tài)在波矢空間中特定方向上的變化特征，即能帶的色散。

?五、研究方法和發(fā)展方向

?（一）、研究方法：

（1）實(shí)驗(yàn)手段：

·同步輻射角積分光電子能譜（SRPES）、同步輻射角分辨光電子能譜（ARPES）；

·全電子產(chǎn)額模式軟X射線吸收譜（TEY）；

·高能電子衍射（RHEED）、低能電子衍射（LEED）、常規(guī)X射線光電子能譜（XPS\UPS\二次電子截止邊）等常規(guī)測(cè)量手段；

·氬離子轟擊、電子束退火、低溫冷卻、氣體吸附等樣品處理手段；

（2）實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑?/span>

由于光子能量的連續(xù)可調(diào)性，同步輻射光電子能譜(SRPES)實(shí)驗(yàn)可以在幾種模式下進(jìn)行：

1) EDC模式：光子能量固定的能量分布曲線(Energy Distribution Curves)實(shí)驗(yàn)，即以一定能量的光子做激發(fā)源，測(cè)定樣品表面導(dǎo)帶和價(jià)帶的電子能態(tài)分布。

2) CFS模式：固定終態(tài)譜(Constant Final-state Spectra)實(shí)驗(yàn)，即用光子能量掃描而恒定檢測(cè)某一終態(tài)動(dòng)能的光電子譜，可以用來測(cè)量界面形成過程中的表面能帶結(jié)構(gòu)和能帶彎曲。

3) CIS模式：固定初態(tài)譜(Constant Initial-state Spectra)實(shí)驗(yàn)，即選擇并固定使芯能級(jí)到空表面態(tài)躍遷最強(qiáng)的初態(tài)能量，將光子能量和檢測(cè)光電子的動(dòng)能做同步掃描來研究空表面態(tài)。

（二）、發(fā)展方向：

金屬(包括合金)、氧化物、半導(dǎo)體的表面和界面電子結(jié)構(gòu)；

C60、納米碳管等新型材料與其衍生物的表面電子結(jié)構(gòu)；

材料表面成分及結(jié)構(gòu)研究；

薄膜功能材料的表面電子結(jié)構(gòu)研究；

高溫超導(dǎo)材料的表面電子結(jié)構(gòu)；

二維材料的表面電子結(jié)構(gòu)；

拓?fù)洳牧系谋砻骐娮咏Y(jié)構(gòu)；

六、聯(lián)系方式

線站負(fù)責(zé)人：王嘉鷗，010-88235992，wangjo@mail.ihep.ac.cn