角分辨光电子能谱学

角分光电子能谱学 (ARPES) 是凝聚态物理学中使用的一种实验技术，用于探测材料（通常是结晶固体）中电子的允许能量和动量。 它基于光电效应，其中足够能量的入射光子从材料表面射出电子。 通过直接测量发射光电子的动能和发射角分布，该技术可以绘制电子能带结构和费米面。 ARPES 最适合研究一维或二维材料。 它已被物理学家用于研究高温超导体、石墨烯、拓扑材料、量子阱态和显示电荷密度波的材料。

ARPES 系统包括一个单色光源，用于传输窄束光子，一个连接到用于定位材料样品的操纵器的样品架，以及一个电子光谱仪。 该设备包含在超高真空 (UHV) 环境中，可保护样品并防止发射的电子散射。 在相对于动能和发射角沿两个垂直方向分散后，电子被引导至检测器并进行计数以提供 ARPES 光谱——沿一个动量方向的能带结构切片。 一些 ARPES 仪器可以提取探测器旁边的一部分电子，以测量其自旋的极化。

结晶固体中的电子只能填充某些能量和动量的状态，其他能量和动量状态被量子力学所禁止。 它们形成称为固体能带结构的连续状态。 能带结构决定了一种材料是绝缘体、半导体还是金属，它如何导电，在哪个方向导电xxx，或者它在磁场中的表现如何。

角分离光电子能谱学确定能带结构，有助于理解电子与材料其他成分的散射过程和相互作用。 它通过观察光子从其初始能量和动量状态射出的电子进入其能量高于初始能量且高于固体中电子的结合能的光子能量的状态来实现。 在此过程中，除了垂直于材料表面的分量外，电子的动量几乎保持不变。 因此，能带结构从电子在材料内被束缚的能量转换为使电子脱离晶体束缚并能够在材料外进行检测的能量。

通过测量自由电子的动能，可以计算出它的速度和xxx动量。 通过测量相对于表面法线的发射角，ARPES 还可以确定光发射过程中保留的两个面内动量分量。 在许多情况下，如果需要，也可以重建第三个组件。

用于角分辨光电发射的典型仪器由光源、连接到操纵器的样品架和电子光谱仪组成。 这些都是超高真空系统的一部分，该系统为样品表面提供必要的吸附物保护，并消除电子在前往分析仪途中的散射。

光源向样品提供单色的、通常是偏振的、聚焦的、约 1012 光子/秒的高强度光束，具有几个 meV 的能量分布。 光源范围从紧凑型惰性气体放电紫外灯和射频等离子体源 (10–⁠40 eV)、紫外激光器 (5–⁠11 eV) 到针对电磁波谱不同部分优化的同步加速器插入设备（来自 10 eV 的紫外线到 1000 eV X 射线）。

样品架容纳晶体材料样品，其电子特性将被研究。 它有助于将它们插入真空、解理以暴露干净的表面以及精确定位。 支架作为操纵器的延伸，可以沿三个轴进行平移和旋转，以调整样品的极角、方位角和倾斜角。 支架带有传感器或热电偶，用于精确测量和控制温度。 低温液化气体、低温冷却器和稀释制冷机可将温度冷却至 1 开尔文。 固定在支架上的电阻加热器可提供高达几百°C 的加热，而微型背面电子束轰击设备可产生高达 2000°C 的样品温度。 一些支架还可以有用于光束聚焦和校准的附件。

电子能谱仪根据电子离开样品时的动能和发射角沿两个空间方向分散电子； 换句话说，它提供了不同能量的映射。