角分辨光电子能谱
角分辨光电发射光谱
高精度揭示固体材料电子结构和性质：ARPES实验及其应用角分辨光电发射光谱（Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy，ARPES）是一种表面科学和固体电子学中常用的实验技术，用于研究固体材料的电子结构和性质。
下面是ARPES实验的主要组成部分：1.光源系统：ARPES实验需要使用高能量、单色性好的光源。
通常使用的是高能激光器或同步辐射光源，能够产生能量可调的紫外或X射线。
2.真空系统：ARPES实验需要在高真空环境下进行，以减少空气对光电子的散射和吸收。
通常使用机械泵和分子泵组成真空系统，以达到所需的真空度。
3.光学系统：ARPES实验需要使用聚焦和定向良好的光学系统。
通常使用的是反射式高能量单色光束和聚焦透镜，以及准直仪和偏转器等光学元件来控制光的入射角和能量。
4.样品制备：ARPES实验需要使用表面平整、无污染的样品。
通常使用的方法包括机械研磨、化学蚀刻和分子束外延等，以制备出所需的样品。
5.谱图解析：ARPES实验得到的数据是电子的动能和角度分布，需要经过谱图解析才能得到电子的能量位置、强度和分布等信息。
通常使用拟合函数对谱图进行解析，以得到电子的动能、角度分布等信息。
6.数据分析：通过对解析得到的电子数据进行统计分析，可以得到材料的电子结构、表面态密度、能带结构等信息。
通常使用专业软件进行数据处理和分析。
7.应用拓展：ARPES实验可以应用于各种固体材料的研究，包括金属、半导体、绝缘体、超导体等。
通过对不同材料的电子结构进行研究，可以揭示材料的物理性质和化学性质，为新材料的设计和开发提供依据。
8.实验优化：为了提高ARPES实验的精度和效率，需要进行实验优化。
包括对光源的调整和校准、对真空度的监测和控制、对光学系统的调整和校准、对样品的优化和选择等。
此外，还需要注意实验环境的稳定性和安全性，以保证实验的顺利进行。
总的来说，ARPES实验需要多个组成部分协同工作，每个部分都有其特定的功能和作用。
角分辨光电子能谱
角分辨光电子能谱1 光电子能谱概述光电子能谱是一种用来研究分子结构和性质的先进方法，它也可以帮助我们更好地理解原子之间的相互作用过程。
光电子能谱通常可以用电荷转移(I0t)或伏安(V)等不同的波长检测到分子中各种电子态。
这些检测结果可以用图表和表格的形式展示出来，因而可以通过它来跟踪原子间的化学反应以及所产生的产物。
2 光电子能谱测量原理光电子能谱是通过实验对光与物质相互作用的势能涉及的过程进行测量的。
基本上，光电子散射实验由三部分组成：测量光源、光源采集装置和检测装置。
测量光源可以是X射线或紫外线，其中X射线光源主要用于局部性材料结构分析，而紫外线的使用则是用于分子的全局性结构分析。
在实验过程中，激发的X射线或紫外线分子会产生特定的电子态，而这些电子态又会发射出不同的光线，这些被发射的光线则会由检测装置检测，最后将结果转换成电荷转移(I0t)和伏安(V)等波长。
3 光电子能谱的优点光电子能谱有很多比传统实验方法更加显著的优势：首先，它具有更快的检测速度，能够快速准确得到详细的分子信息；其次，它对于微量样品的检测效果也更加显著，可以检测出极为微小的物质；最后，它不仅能够准确地研究分子的结构，还能够保持实验样品的可用性，不会带来任何污染性的副产物。
4 光电子能谱的应用光电子能谱可用于多种科技领域，尤其在生物科学以及分子生物学，物理，化学等等方面都有广泛的应用。
近年来，它已经成功地应用于医药，食品，环境，化妆品等行业，可以用来检测各类有毒物质，以便于辨识生物体内的分子交互和反应机制，以及对有毒和甚至有害物质的定性分析。
5 结论通过上文我们可以得知，光电子能谱是一种非常复杂的电子检测技术，它的使用无处不在，并且在各个领域都有着极大的价值。
如今，这项技术已经投入到各类行业中，以帮助我们解决各类问题，比如检测有毒有害物质等等。
因此，光电子能谱在当下正逐渐得到越来越多的重视，也在越来越多的领域得到了广泛的应用。
紫外光能谱 UPS
常用分析谱仪的名称和主要用途 名称 入射粒 发射粒子 子 光子 电子 主要用涂
X射线光电子谱 （XPS）
分析表面成分，研究表面吸附和表面电 子结构，目前已成为一种常规表面分析 手段 分析表面成分，更适合于研究价电子状 态，与XPS相互补充 分析表面成分，能分析除H，He外的所 有元素，还可用来研究许多反应 分析表面成分，研究界面反应和其它反 应 分析表面成分，研究元素的化学状态和 表面原子排列结构，其中低能电子能量 损失谱又称高分辨率电子能量损失谱， 所探测到的是表面几个原子层的信息 分析表面成分，研究表面结构
UPS有其局限性，故在应用时常与其 他表面分析方法结合使用。 角分辨紫外光电子能谱（ARUPS） 可用来检测一些吸附质在催化剂上的行 为。 9.2.1.4俄歇（Auger）电子能谱 当电子束或X射线做激发源，使原 子内层电子被电离产生一个空穴后，其 他能量较高轨道的电子填充这个空穴，
同时释放出能量使其他电子（二次电 离），这样电离出来的电子是由Auger首 次发现的，称之为Auger电子。用电子动 能分析器分析俄歇电子，就得到俄歇电 子能谱（AES）。俄歇电子的能量与激 发源的能量无关，改变X光源时，光电子 的能量会改变，而Auger电子能量不会变， 利用这一点可以区别Auger电子峰和光电 子峰。
样 品 单色器 检测器 计算器
激光光源
图16-19 激光拉曼光谱仪示意
Raman光谱可通过鉴定基团的特征频率进 行分子结构分析，用于定性、定量分析等。 它可观察到非极性双原子分子如N2、O2等 光谱，是红外光谱所不及的。因此， Raman光谱与红外光谱两者互相补充。但 Raman散射存在截面积小、灵敏度低的缺 点。表面增强拉曼散射效应是指在特殊制 备的一些金属良导体表面或溶胶中，吸附 分子的Raman散射信号比普通Raman散射
电子结构与电子光谱实验技术中的同步辐射与角分辨光电子能谱
电子结构与电子光谱实验技术中的同步辐射与角分辨光电子能谱导语：随着科学技术的快速发展，人们对于物质内部结构的研究需求也日益增长。
电子结构和电子光谱实验技术作为一种非常有效的研究方法，在材料科学、化学、凝聚态物理等领域发挥着重要作用。
本文将重点介绍同步辐射和角分辨光电子能谱这两种实验技术，探讨它们在揭示物质电子结构中的应用和意义。
一、同步辐射技术同步辐射是一种高亮度和高相干度的辐射。
它通过将电子束通过高强度的磁场加速，使电子在强磁场中做匀速旋转，并释放出电磁辐射。
不同于传统的X射线辐射，同步辐射具有窄谱宽、高亮度、强度高、相干度好等特点，在材料科学中具有广泛应用。
同步辐射的应用广泛，其中之一就是角分辨光电子能谱技术。
二、角分辨光电子能谱技术角分辨光电子能谱技术是一种研究物质电子结构的高精度技术。
它通过照射样品表面，测量光电子飞出方向和速度，从而得到电子在样品内部能量分布的信息。
角分辨光电子能谱技术是同步辐射技术的重要应用之一。
通过角分辨光电子能谱技术，我们可以获得很多关于材料电子结构的信息。
例如，通过调节入射光的能量，我们可以得到不同能量下电子的信息，形成能谱。
进一步分析能谱数据，可以得到材料的表面化学元素、电子能级分布、价带结构等信息，从而揭示出材料的电子性质。
三、同步辐射与角分辨光电子能谱的应用案例同步辐射和角分辨光电子能谱技术在材料相关领域具有广泛应用。
以催化剂研究为例，同步辐射可以提供高亮度的X射线辐射，用于表征催化剂的表面结构、反应中间体的形成与转变等。
角分辨光电子能谱技术则可以给出表征材料电子结构的详细信息，如费米能级、价带、能带等，这对于催化剂的设计和理解反应机理具有重要意义。
此外，同步辐射和角分辨光电子能谱技术还可应用于凝聚态物理研究、超导材料研究、光电材料研究等方面。
它们的应用不仅仅局限于材料科学领域，还可以推广到生物医学、环境科学等领域。
四、结语同步辐射和角分辨光电子能谱技术的应用对于揭示物质内部结构和电子性质具有重要意义。
物理实验技术中的能带结构的测量与分析方法
物理实验技术中的能带结构的测量与分析方法引言能带结构是固体物理和材料科学中的重要概念之一，它描述了材料中电子的能量分布情况。
能带结构的测量与分析是研究材料的电子性质和研发新材料的关键步骤。
本文将介绍一些常用的物理实验技术，用于测量和分析能带结构。
一、角分辨光电子能谱 (ARPES)角分辨光电子能谱是一种通过照射样品表面的光子来激发材料中电子，然后通过测量电子的能量和出射角度来研究材料能带结构的方法。
由于电子的速度和能量之间存在关联，角分辨光电子能谱可以提供关于材料中电子能谱和能带结构的详细信息。
近年来，随着实验技术的发展，角分辨光电子能谱已经成为研究材料中电子行为的重要工具。
二、扫描隧道光谱 (STM)扫描隧道光谱是一种通过在样品表面移动的探针来测量材料表面的原子排列和电子能级分布的方法。
通过测量隧道电流的变化，可以获得与电子能级相关的信息，从而揭示材料的能带结构。
扫描隧道光谱具有高分辨率和原子级别的测量精度，在研究准二维和三维材料的能带结构时发挥着重要作用。
三、拉曼光谱拉曼光谱是一种通过测量材料中散射光的频率和强度变化来研究材料结构和振动的方法。
拉曼光谱可以提供关于材料晶格结构和能带结构之间的相互关系的信息。
通过分析样品中的拉曼光谱，可以确定材料的晶格常数、晶格热膨胀系数等重要参数，以及探索材料的电子结构和能带结构。
四、X射线衍射X射线衍射是一种通过材料中的晶体结构对入射X射线进行衍射来研究材料结构和电子能带的方法。
X射线衍射能够揭示材料的晶胞结构、晶系类型和晶格常数等信息。
通过结合理论模拟和实验数据，可以进一步分析材料中电子的能带结构和态密度分布，为材料研发和应用提供基础性的数据支持。
结论物理实验技术在能带结构的测量与分析中发挥着重要作用。
角分辨光电子能谱、扫描隧道光谱、拉曼光谱和X射线衍射等方法，可以提供关于材料中电子能带结构和态密度分布的详细信息。
随着实验技术的不断发展，我们相信将会有更多先进的测量和分析方法出现，为材料科学的研究和应用带来更多的突破。
角分辨光电子能谱
角分辨光电子能谱角分辨光电子能谱(Angle resolved photoemission spectroscopy ,简称ARPES)利用光电效应研究固体的电子结构。
1887年由德国物理学家赫兹发现，一束光照射在样品表面，当入射光频率高于特定阈值(功函数)时，表面附近的电子会脱离样品，成为自由电子，这就是光电效应。
在我们的ARPES实验中，采用稀有气体电离或者同步辐射作为光源。
光电子在真空飞行的过程中，被一个接受角度很小的能量分析器收集计数。
目前应用最广的分析器测量光电子数与其出射角(即电子动量)和出射动能的函数关系。
利用动能守恒定律和动量守恒定律，我们可以计算出样品中电子的动能及动量。
其中，能量守恒定率为：在这一过程中，系统的能量是守恒的：光电子的动能，材料的功函数以及电子的束缚能之和等于入射光子的能量。
其中，ħω为入射光能量，E kin为出射光电子动能，ϕ为材料功函数(发生光电效应的最小光子能量)，E B为电子束缚能。
我们的主要目的是得到样品中电子束缚能与电子动量的函数关系。
垂直于样品表面方向上晶体平移对称性被破坏，导致在此方向上动量不再守恒。
因此我们只能得到固体中的电子在平行于样品表面方向上动量分量。
光子的动量很小，与电子动量相比可以忽略。
所以，按照图中的几何关系，平行于样品表面方向的动量守恒定律可表示为：角分辨光电子谱通过测量不同出射角度的光电子的动能，就可以得到电子在固体中平行于样品表面的动量分量。
其中P||为平行于样品表面的选定方向上的动量分量,k||为固体中电子的波矢,m e为电子质量,E kin为电子的动能,θ电子出射角度。
将得到的能量与动量对应起来，就可以得到晶体中电子的色散关系。
同时，ARPES也可以得到能态密度曲线和动量密度曲线，并直接给出固体的费米面。
谣言：吃太咸了会得病？导语：“人体每日摄入食盐不应过多，否则易患多种疾病。
”这是真的吗？吃太咸了会得病？一、网友评论：1、网友：冰冰23 岁行政助理我就是一个”重口味“的人，但身体很健康啊！我就是一个特别爱吃咸的人，什么咸菜、咸烧饼都是我的最爱。
欠掺杂铁基超导体角分辨光电子能谱研究取得新进展
是 否存在 共性 ？还 是它们 完全是 不一 样 的体系 ？这些 共性或 者特异 性到底
是 如 何 影 响 超 导 电性 的 ？ 这 一 系 列 问 题 很 快 引起 了研 究者 的广 泛 兴 趣 。 在 过 去 对 铜 氧 化 合 物 超 导 体 的研 究 过 程 中 ， 在 于 欠 掺 杂 样 品 中 的赝 能 存
ｎｏｒ ａ ｉｎ Ｂｒ ｆ ｇ ｆ ｍ ｔ ｉ ｉ ｏ ｅ ｎ
动 态
欠掺 杂 铁 基 超 导 体 角 分 辨 光
研究人 员发现 ，类似于最佳掺 杂
样 品 的 依 赖 费 米 面 的 无 节 点 的 超 导 能 隙 同样 存 在 于 欠 掺 杂 样 品 中 ， 是 随 着 只 掺 杂 空穴 的减 少 ， 隙 的大 小 也 相 应 地 能 变 小 。有趣 的是 ， 过 对 不 同掺 杂 量 的 通 欠 掺 杂样 品 结 果 的分 析 ， 们 发 现 在 从 他 欠 掺 杂 到 最佳 掺杂 的过 渡 中 ， 隙 的大 能 小 和 超 导 的 转 变温 度 成 线 性 关 系 。 导 超 的减 弱 。 种在 两 类 超 导体 中存 在 的赝 这 能 隙 二 分 性 （ｉ ｏｏ ） 明 了反 铁 磁 ｄｃ ｔｍｙ说 ｈ 涨 落 有 可 能 是 形 成 赝 能 隙 的 决 定 性 因
子米面上 ， 且这两个费米面之问存在 反
铁 磁 波 矢 相 连 的 带 间 散 射 （ ｎｉ ａｔ—
ｆｒ ｍａ ｎ ｔ ｔｒ ａ ｄ ｃ ａ ｆ ｇ ） 其 ｅｒ ｇ ｅｉ ｉ ｅ— ｎ ａ ｅ ｎ ｓ 。 ｏ ｃｎ ｂ ｓ ｉ
对 应 的 准 粒 子 峰 在 能 谱 上 显 示 出 明 显
的发生有着密切的关系。 许多方法被发
展 用 于 Ｐ Ｂ 的检 测 ，如 气 相 色 谱 分 析 Ｃ
用角分辨光电子能谱研究CoCu（111）外延超薄膜的电子结构
用角分辨光电子能谱研究CoCu（111）外延超薄膜的电子结
构
用角分辨光电子能谱研究Co/Cu(111)外延超薄膜的电子结构
利用同步辐射角分辨光电子能谱研究了分子束外延生长的Co/Cu(111)超薄膜电子结构的变化. Cu(111)的位于表面布里渊区Γ点的表面态在覆盖度为两单层时仍然可以分辨,说明薄膜生长模式不是二维层状生长. 在一单层和二单层时,动量沿Cu体布里渊区Γ-Λ-L方向变化,Co的最明显的峰包有能量色散. 在覆盖度从一单层到两单层的变化过程中,固定光子能量测谱发现Co的能带的能量调整. 实验测得的Co 膜的电子结构与已有理论计算的结果对比,初步确定Co原子在生长初期阶段为两层岛生长,而且在一单层时已经具有铁磁性.
作者：苏润刘凤琴钱海杰作者单位：中国科学院高能物理研究所,北京,100039 刊名：高能物理与核物理 ISTIC SCI PKU英文刊名：HIGH ENERGY PHYSICS AND NUCLEAR PHYSICS 年，卷(期)：2003 27(2) 分类号：O4 关键词：角分辨光电子能谱电子结构交换劈裂。
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A Case Study 2
“liquid phase exfoliation”:
Abstract: “Fully exploiting the properties of graphene will require a method for the mass production of this remarkable material. Two main routes are possible: largescale growth or large-scale exfoliation. Here, we demonstrate graphene dispersions with concentrations up to 0.01 mg ml-1, produced by dispersion and exfoliation of graphite in organic solvents such as N-methyl-pyrrolidone. This is possible because the energy required to exfoliate graphene is balanced by the solvent–graphene interaction for solvents whose surface energies match that of graphene. We confirm the presence of individual graphene sheets by …… Our method results in a monolayer yield of 1 wt%, which could potentially be improved to 7–12 wt% with further processing. The absence of defects or oxides is confirmed by ……We are able to produce semi-transparent conducting films and conducting composites. Solution processing of graphene opens up a range of potential large-area applications, from device and sensor fabrication to liquid-phase chemistry.”
(X-ray fluorescence, Z>4)
Example: D. Wei et al., “Synthesis of N-Doped Graphene by Chemical Vapor Deposition and Its Electrical Properties”,Nano Lett., 2009, 9, 1752
• EELS/HREELS (electron energy loss)
– EELS (often in TEM) similar to XPS – elemental/chemical
A. Dato et al., Nano Lett., 2008, 8 (7), pp 2012–2016
H. Yanagisawa et al., Surface and Interface Analysis 37, 133 (2005) R J Koch, P hys. Status Solidi C 7, No. 2, 394–397 (2010)
STM based IETS
Inelastic electron tunneling spectroscopy
/~wilsonho/wilsonho.html Inducing and Viewing the Rotational Motion of a Single Molecule. Science 1998, 279, 1907. B.C. Stipe, M.A. Rezaei, and W. Ho. Single-Molecule Vibrational Spectroscopy and Microscopy. Science 1998, 280, 1732. B.C. Stipe, M.A. Rezaei, and W. Ho.
D. A. Mueller et al., Atomic-Scale Chemical Imaging of Composition and Bonding by Aberration-Corrected Microscopy, Science, 319. 1073 (2008) F. Carbone et al., Science 325, 181 (2009) –time resolved Reviews: S.J. Pennycook et al., Atomic-resolution spectroscopic imaging: past, present and future, Journal of Electron Microscopy 58(3): 87–97 (2009) K.W. Urban, Studying Atomic Structures by Aberration-Corrected Transmission Electron Microscopy Science 321, 506 (2008)
Case Study
Nature Nanotechnology 3, 563 - 568 (2008)
Optical Absorption/Transmission & Graphite Dispersion Concentration
EM
TEM
Raman & XPS
Discussion
Angle resolved photoemission spectroscopy (ARPES)
•X-ray vs UV (energy scale) •Atomic vs solid •ARPES measures electronic excitations • in solid band structure
– Can measure chemical bonding and phonon spectrum (HREELS)
• Optical • SPM • Electrical Transport
What about Grand Challenge?
ueV
Many body/collective
100nm
/research_arpesoverview.html
What do you think/questions
• Growth mechanisms? • Other gases (other than Ar?) --- Si-X collision and evaporation temperatures • …
(UV)
/wiki/ARPES
Applications in graphene: A. Bostwick et al., Nature Phys. 3, 38 (2007) SY Zhou et al., Nature Materials 7, 259 - 260 (2008) P Sutter et al., Nano Lett 9, 2654 (2009)
Methods: The graphite was dispersed in the relevant solvent (cylindrical vial, 10-25 ml solvent) at a concentration of 0.1 mg/ml by sonicating in a low power sonic bath (Model Ney Ultrasonic) for 30 minutes. Care must be taken as excessive sonication can lead to destruction of the graphene. The resultant dispersion was then centrifuged (CF) using a Hettich Mikro 22R centrifuge for 90 minutes at 500 rpm. After CF, decantation was carried out by pipetting off the top half of the dispersion. … Thin films were prepared by vacuum filtration onto either polyvinylidene fluoride (PVDF) membranes (pore size: 100 nm) or porous alumina membranes (pore size: 20 nm). Initial sample drying was carried out in a vacuum oven at room temperature at a pressure of ~10-3 mbar. Subsequently, in some cases, annealing was carried out to remove residual solvent using a vacuum tube furnace from GERO Hochtemperaturöfen GmbH. The samples were heated to 400C for 4 hours in either vacuum or forming gas. Samples for … were prepared by spraying th e graphene dispersions onto silicon dioxide substrates using an Evolution Airbrush () spray gun. The solvent was removed by annealing under forming gas at 400 degrees for 4 hours.