一種準連續或連續雷射自旋分辨光電子能譜分析裝置的製作方法
2023-07-12 04:55:26 1
專利名稱：一種準連續或連續雷射自旋分辨光電子能譜分析裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光電子能譜分析裝置，特別是涉及一種以準連續或連續雷射為光源的自旋分辨光電子能譜分析裝置。
背景技術：
材料的磁學性質是由內部電子的自旋狀態決定的。對電子自旋的研究不僅具有重大的科學意義，更與新興的自旋流和自旋電子學在信息領域的應用密切相關。自旋分辨光電子能譜作為探測材料中電子自旋狀態的最直接的實驗手段，無論對自旋電子學材料的探索，還是對量子自旋流現象和先進材料中眾多的新奇量子現象相關的物理研究，都具有重要的意義。自旋分辨光電子能譜儀的工作原理是當光輻照到樣品上時，由於光電效應，電子將從樣品中逸出。這些光電子經過電子能量分析器和莫特自旋探測器後，將獲得能量、動量和自旋的信息。光電子相對於樣品的空間角度，決定了電子的動量信息；光電子通過高電壓加速，轟擊散射靶。由於散射靶採用的是高原子序數的重金屬，具有強的自旋軌道耦合，因此不同取向的電子將傾向於進入不同的電子放大倍增管而被接收到，從而獲取了自旋的信息。長期以來，由於自旋分辨光電子能譜採用的莫特分析器(Mott Polarimeter)效率很低，測量的信號強度與通常的光電子能譜相比要弱104～105倍。為了獲得足夠強的信號，目前只能採用同步輻射光源，並且在採用同步輻射光源的同時，往往要犧牲能量解析度以提高計數率，目前最好的自旋分辨光電子能譜儀的能量解析度約為100meV。更不利的現狀是，為了進一步增強信號，幾乎所有的測量都是採用角積分的方式，因而失去了角分辨光電子能譜所具有的重要的電子動量信息。這兩大弱點阻礙了目前的光電子能譜技術同步獲取材料的電子狀態的全面信息(即能量、動量和自旋)的能力，限制了其在材料和物理研究中的廣泛應用。如果以脈衝雷射為光源，則難以克服空間電荷效應(space charge effect)和鏡像電荷效應(mirror charge effect)的影響。
針對現有技術的不足，就需要一種改進的，最好是能夠提高能量解析度，縮短測量所需時間，高效、簡潔、廉價，特別是能同時獲取電子動量信息的自旋分辨光電子能譜分析裝置。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種以準連續或連續雷射為光源的自旋分辨光電子能譜分析裝置。
為了達到上述目的，本發明採取如下技術方案一種準連續或連續雷射自旋分辨光電子能譜分析裝置，包括真空室，真空室內部有用於固定操縱樣品的樣品臺和設置在所述樣品臺一側的電子能量分析器和自旋探測器；其特徵是，還包括一雷射器設置在所述真空室的雷射入口處，雷射器發出的雷射經過所述入口入射到真空室內併入射到樣品臺上的樣品上。
進一步地，照射到樣品上的雷射的光子能量高於5電子伏特。
進一步地，所述雷射器發出的雷射是準連續雷射或連續雷射；所述的準連續雷射是重複頻率大於或等於10千赫茲的雷射。
進一步地，所述雷射器包括全固態雷射器、固體雷射器、半導體雷射器、氣體雷射器、液體雷射器、準分子雷射器、光纖雷射器。
進一步地，還包括在所述雷射器的出光光路上安置的用於對雷射進行單次變頻的非線性光學晶體，或雷射變頻耦合器，以使照射到樣品上的雷射的光子能量高於5電子伏特。
進一步地，所述雷射的偏振方式包括非偏振、線偏振、圓偏振或橢圓偏振方式。
進一步地，所述電子能量分析器包括平行板能量分析器，筒鏡能量分析器，半球型分析器，球扇型分析器，飛行時間型分析器或減速場分析器。
進一步地，所述電子能量分析器是對從0eV到5eV的低動能光電子實現角分辨功能的分析器。
進一步地，所述真空室包括由磁屏蔽效應材料製成的真空室或內有磁屏蔽層的真空室；所述磁屏蔽效應材料包括Mu金屬。
與現有技術相比，本發明的有益效果是1、本發明將準連續或連續雷射應用到自旋分辨光電子能譜分析技術上，提高其能量解析度、動量解析度及光子流量。彌補現有光源的不足，減少搭建或使用同步輻射光源的巨大耗費，縮短測量所需時間，從而提供一種高效的測量材料中電子的自旋狀態的方法。本發明不僅是開發了自旋分辨光電子能譜技術的第三種光源，更重要的是為研究各種材料的精細自旋狀態提供了一種重要的實驗手段，特別是能夠通過同步獲取能量、動量和自旋這三個物理量來實現對材料的電子狀態的全面描述。
2、利用準連續或連續雷射來彌補現有光源的不足，減少搭建或使用同步輻射光源的巨大耗費，縮短測量所需時間，從而提供一種高效、簡潔、廉價的測量材料的精細自旋狀態甚至全面描述材料中的電子狀態的裝置。
圖1為本發明實施例1的準連續雷射自旋分辨光電子譜分析裝置示意圖；圖2為本發明實施例2的連續雷射自旋分辨光電子譜分析裝置示意圖；圖3為本發明實施例5的準連續雷射自旋分辨光電子譜分析裝置示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細描述實施例1按圖1製作本發明的一準連續或連續雷射自旋分辨光電子譜分析裝置，包括真空室10，真空室10內部有用於固定樣品11的樣品臺12和設置在所述樣品臺12一側的電子能量分析器13和自旋探測器14；一雷射器15設置在所述真空室10的雷射入口(圖中未示出)處，使雷射器15發出的雷射經過所述入口入射到真空室10內併入射到樣品室12內的樣品11上。
下面對本實施例中的各部分進行詳細描述雷射器14是193nm(納米)全固態雷射器，發出的雷射光子能量是6.42eV(電子伏)，發出準連續雷射的重複頻率為10千赫茲。
真空室是有允許雷射入射的雷射入口，將固定有樣品11的樣品臺12和設置在所述樣品臺12一側的電子能量分析器13都設置在真空室中後，抽成真空，真空度優於10-7帕斯卡。
樣品為單晶或薄膜材料；將樣品的待檢測的表面與雷射入射的夾角介於0-90度之間的任一角度；
樣品臺由良好導熱導電材料如無氧銅加工而成，可以具備平移和轉動功能，也可以在從室溫到毫K(開爾文)的寬溫區工作；電子能量分析器採用商用產品，為飛行時間型分析器，該分析器放置在可以接收到逸出電子的任意位置。
自旋探測器採用商用的莫特自旋探測器。
本實施例的的準連續雷射自旋分辨光電子能譜分析裝置的工作過程為雷射器輸出的準連續雷射作為自旋分辨光電子譜儀的光源，入射到自旋分辨光電子譜儀的真空室，照射到樣品上，材料中的電子由於光電效應會逃逸樣品，並被自旋分辨光電子譜儀中的電子能量分析器和自旋探測器接收和分析，電子能量分析器以或者角積分或者角分辨或者角積分和角分辨的模式工作，提供具有超高的能量解析度(優於10meV)和自旋解析度的光電子能譜數據，實現研究電子的自旋狀態的目的。結合角分辨光電子能譜分析技術，可以同步獲取能量、動量和自旋這三個物理量，實現對材料的電子狀態的全面描述。
實施例2在實施例1的基礎上，按圖2製作本發明的一連續雷射自旋分辨光電子譜分析裝置雷射器14是457.9nm的氣體雷射器，發出的雷射光子能量是2.7eV，發出的雷射是連續輸出的。在雷射器的出光光路上放置非線性光學晶體20，以及第一腔鏡21和第二腔鏡22，用於對雷射器輸出的連續雷射實現腔內倍頻(變頻)，獲得光子能量為5.4eV的連續雷射，入射到樣品上。非線性光學晶體20是偏硼酸鋇(BBO)晶體。電子能量分析器採用市場所售產品，為球扇型分析器。
其它與實施例1相同。
實施例3按圖2製作本發明的一連續雷射自旋分辨光電子譜分析裝置，將實施例2中的非線性光學晶體20由非線性光學晶體雷射變頻耦合器替代。非線性光學晶體雷射變頻耦合器是使用非線性光學晶體與稜鏡結合，以應用於雷射變頻的裝置。非線性光學晶體雷射變頻耦合器中的非線性光學晶體為KBe2BO3F2(KBBF，potassiumdifluo-diberryllo-borate)晶體，稜鏡是45°直角稜鏡。本領域技術人員可以根據公知技術完成該變頻耦合器，參見專利ZL01115313.X。這樣同樣可以獲得光子能量為5.4eV的連續雷射。
其它與實施例2相同。
實施例4在實施例2的基礎上，按圖2製作本發明的一連續雷射自旋分辨光電子譜分析裝置，將實施例2中的電子能量分析器用減速場分析器替代。自旋探測器由莫特自旋探測器替代。
其它同實施例2。
實施例5按圖3製作本發明的一真空紫外雷射自旋分辨光電子譜分析裝置雷射器15為固體雷射器，輸出的波長為354.7nm的準連續(重複頻率80M赫茲)雷射，通過由對入射雷射有高反射率的光學晶體製成的鍍有增反膜的第一反光鏡41和第二反光鏡42，本實施例中反光鏡採用石英材料製成；由對入射雷射有高透射率的光學材料做成的第一聚焦鏡30把雷射會聚，此處採用石英材料做成聚焦透鏡；經由對入射雷射有高透射率的光學材料做成的窗口(此處採用石英)43進入密封裝置44，此密封裝置可以充入對真空紫外不吸收或吸收低的惰性氣體如氮氣。入射到由KBe2BO3F2(KBBF，potassium difluo-diberryllo-borate)非線性光學晶體製成的雷射變頻耦合器45上，產生的波長為177.3nm的倍頻雷射，該雷射為線偏振雷射，經過由石英做成的鍍增反膜的第三反光鏡46和第四反射鏡47反射後，由CaF2做成的第二聚焦鏡31聚焦，通過由CaF2製成的窗口48進入光電子譜儀的真空室10，真空室10直接由Mu金屬製成，使得樣品處的剩餘磁場小於10mOe(毫奧斯特)。177.3nm的雷射照射到樣品11上，材料中的電子由於光電效應會逃逸樣品，並被自旋光電子譜儀中的電子能量分析儀13和莫特自旋探測器14接收和分析。電子能量分析器13是半球型分析器，通過優化其電子光學參數使得能夠對低動能光電子實現角分辨功能，通過改進其機械加工精度，使得電子噪聲得以減少。電子能量分析儀13既可以以角分辨模式工作也可以以角積分模式工作，經測試分析實現研究電子的自旋狀態的目的。結合角分辨光電子能譜分析技術，還可以同步獲取能量、動量和自旋這三個物理量，實現對材料的電子狀態的全面描述。
最後所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制。通過參照實施例對本發明進行的詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，比如雷射器15可以用滿足技術方案要求的各種雷射器替代，又如電子能量分析器13也可以用其他完成相同功能的分析器替代，都不脫離本發明技術方案的精神和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。
權利要求
1.一種準連續或連續雷射自旋分辨光電子能譜分析裝置，包括真空室，真空室內部有用於固定操縱樣品的樣品臺和設置在所述樣品臺一側的電子能量分析器和自旋探測器；其特徵是，還包括一雷射器設置在所述真空室的雷射入口處，雷射器發出的雷射經過所述入口入射到真空室內併入射到樣品臺上的樣品上。
2.根據權利要求1所述準連續或連續雷射自旋分辨光電子能譜分析裝置，其特徵是，照射到樣品上的雷射的光子能量高於5電子伏特。
3.根據權利要求1或2所述準連續或連續雷射自旋分辨光電子能譜分析裝置，其特徵是，所述雷射器發出的雷射是準連續雷射或連續雷射；所述的準連續雷射是重複頻率大於或等於10千赫茲的雷射。
4.根據權利要求1所述準連續或連續雷射自旋分辨光電子能譜分析裝置，其特徵是，所述雷射器包括全固態雷射器、固體雷射器、半導體雷射器、氣體雷射器、液體雷射器、準分子雷射器或光纖雷射器。
5.根據權利要求3所述準連續或連續雷射自旋分辨光電子能譜分析裝置，其特徵是，還包括在所述雷射器的出光光路上安置的用於對雷射進行單次變頻的非線性光學晶體，或雷射變頻耦合器。
6.根據權利要求1所述準連續或連續雷射自旋分辨光電子能譜分析裝置，其特徵是，進一步地，所述雷射的偏振方式包括非偏振、線偏振、圓偏振或橢圓偏振。
7.根據權利要求1所述準連續或連續雷射自旋分辨光電子能譜分析裝置，其特徵是，所述電子能量分析器包括平行板能量分析器，筒鏡能量分析器，半球型分析器，球扇型分析器，飛行時間型分析器或減速場分析器。
8.根據權利要求1所述準連續或連續雷射自旋分辨光電子能譜分析裝置，其特徵是，所述電子能量分析器是對從0eV到5eV的低動能光電子實現角分辨功能的分析器。
9.根據權利要求1所述準連續或連續雷射自旋分辨光電子能譜分析裝置，其特徵是，所述真空室包括由磁屏蔽效應材料製成的真空室或具有磁屏蔽層的真空室。
10.根據權利要求9所述準連續或連續雷射自旋分辨光電子能譜分析裝置，其特徵是，所述磁屏蔽效應材料包括Mu金屬。
全文摘要
本發明公開了一種準連續或連續雷射自旋分辨光電子能譜分析裝置，包括真空室，真空室內部有用於固定操縱樣品的樣品臺和設置在所述樣品臺一側的電子能量分析器和自旋探測器；其特徵是，還包括一雷射器設置在所述真空室的雷射入口處，雷射器發出的雷射經過所述入口入射到真空室內併入射到樣品臺上的樣品上，照射到樣品上的雷射的光子能量高於5電子伏特；所述雷射器發出的雷射是準連續雷射或連續雷射。本發明的優點在於提高能量解析度、動量解析度，是一種高效、簡潔、廉價的測量材料精細自旋狀態甚至全面描述材料中的電子狀態的裝置。
文檔編號G01R33/00GK101038330SQ200610169689
公開日2007年9月19日 申請日期2006年12月27日 優先權日2006年12月27日
發明者周興江, 陳創天, 許祖彥, 劉國東, 朱鏞, 王桂玲, 張國春, 張鴻博, 王曉陽, 周勇, 張文濤, 劉海雲, 趙林, 孟建橋, 董曉莉 申請人:中國科學院物理研究所, 中國科學院理化技術研究所