Обратная фотоэлектронная спектроскопия: принципы и методы исследования.
Inverse photoemission spectroscopy
Инверсная фотоэмиссионная спектроскопия (ИФЭС): изучение электронной структуры поверхностей и тонких пленок. Анализ незанятых состояний, высокая чувствительность.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Инверсная фотоэмиссионная спектроскопия (IPES) – это метод исследования поверхностей, тонких пленок и адсорбированных веществ, позволяющий изучать их незанятую электронную структуру. На образец направляется хорошо коллимированный пучок электронов с точно определенной энергией (< 20 эВ). Эти электроны взаимодействуют с высокоэнергетическими незанятыми электронными состояниями и переходят в низкоэнергетические незанятые состояния, причем часть этих переходов сопровождается излучением. Излученные в процессе перехода фотоны детектируются, и формируется энергетический спектр, показывающий количество фотонов в зависимости от энергии падающих электронов. Благодаря низкой энергии падающих электронов, глубина их проникновения ограничена несколькими атомными слоями, что делает инверсную фотоэмиссионную спектроскопию особенно чувствительным методом для изучения поверхностей. Поскольку IPES исследует электронные состояния выше уровня Ферми, он является дополнительным методом к фотоэмиссионной спектроскопии.
Inverse photoemission spectroscopy (IPES) is a surface science technique used to study the unoccupied electronic structure of surfaces, thin films, and adsorbates. A well collimated beam of electrons of a well defined energy (< 20 eV) is directed at the sample. These electrons couple to high lying unoccupied electronic states and decay to low lying unoccupied states, with a subset of these transitions being radiative. The photons emitted in the decay process are detected and an energy spectrum, photon counts vs. incident electron energy, is generated. Due to the low energy of the incident electrons, their penetration depth is only a few atomic layers, making inverse photoemission a particularly surface sensitive technique. As inverse photoemission probes the electronic states above the Fermi level of the system, it is a complementary technique to photoemission spectroscopy.
Режимы
Для этого измерения можно использовать два режима. Один из них – режим изохромата, при котором сканируется энергия падающих электронов, а энергия детектируемых фотонов поддерживается постоянной. Другой – режим с регулируемой энергией фотонов, или спектрографический режим, при котором энергия падающих электронов поддерживается постоянной, а измеряется распределение энергии детектируемых фотонов. Последний также позволяет проводить резонансную обратную фотоэмиссионную спектроскопию.
Two modes can be used for this measurement. One is the isochromat mode, which scans the incident electron energy and keeps the detected photon energy constant. The other is the tunable photon energy mode, or spectrograph mode, which keeps the incident electron energy constant and measures the distribution of the detected photon energy. The latter can also measure the resonant inverse photoemission spectroscopy.
Изохроматический режим
В режиме изохромата энергия падающих электронов изменяется в процессе разгона, а излучаемые фотоны детектируются при фиксированной энергии, определяемой фотонным детектором. Обычно в качестве фотонного детектора используется трубка Гейгера-Мюллера, заполненная газом I2, с входным окном из SrF2 или CaF2. Комбинация окна и заполняющего газа определяет энергию детектируемых фотонов, и для газа I2 с окном из SrF2 или CaF2 энергии фотонов составляют примерно 9,5 эВ и примерно 9,7 эВ соответственно.
In isochromat mode, the incident electron energy is ramped and the emitted photons are detected at a fixed energy that is determined by the photon detector. Typically, an I2 gas filled Geiger Müller tube with an entrance window of either SrF2 or CaF2 is used as the photon detector. The combination of window and filling gas determines the detected photon energy, and for I2 gas and either a SrF2 or CaF2 window, the photons energies are ~ 9.5 eV and ~ 9.7 eV, respectively.
Режим спектрографа
В режиме спектрографа энергия падающего электрона остаётся постоянной, а для регистрации испускаемых фотонов в диапазоне их энергий используется решётчатый спектрометр. Дифракционная решётка разделяет испускаемые фотоны, которые затем регистрируются двумерным позиционно-чувствительным детектором.
In spectrograph mode, the energy of the incident electron remains fixed and a grating spectrometer is used to the detect the emitted photons over a range of photon energies. A diffraction grating is used to disperse the emitted photons that are in turn detected with a two dimensional position sensitive detector.
Сравнение режимов
Одним из преимуществ спектрального режима является возможность одновременного получения спектров IPES в широком диапазоне энергий фотонов. Кроме того, энергия падающих электронов остается фиксированной, что обеспечивает лучшую фокусировку электронного пучка на образец. Более того, изменяя энергию падающих электронов, можно детально изучить электронную структуру. Хотя решетчатый спектрометр очень стабилен во времени, его настройка может быть очень сложной, а техническое обслуживание – весьма дорогостоящим. Преимущества изохроматического режима – его низкая стоимость, простота конструкции и более высокая скорость счета.
One advantage of spectrograph mode is the ability to acquire IPES spectra over a wide range of photon energies simultaneously. Additionally, the incident electron energy remains fixed which allows better focusing of the electron beam on the sample. Furthermore, by changing the incident electron energy the electronic structure can be studied in great detail. Although the grating spectrometer is very stable over time, the set up can be very complex and its maintenance can be very expensive. The advantages of isochromat mode are its low cost, simple design and higher count rates.