角分辨光电子能谱.doc

1、角分辨光电子能角分辨光电子能谱谱仪角角分辨光电子能谱(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

2、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， 为入射光能量，E kin为出射光电子动能， 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, 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。