一、實驗站簡介

物質(zhì)世界在宏觀上體現(xiàn)出豐富多彩的電學、磁學、熱力學及光學特性，探索和理解這些特性產(chǎn)生的根源則是人類孜孜不倦予以追求的目標。我們所知道的是所有構成物質(zhì)世界的元素具有不同名稱，但它們卻是由相同的基本粒子—電子作為介質(zhì)將這些元素聚合到一起的。光電子能譜實驗（photoemission spectroscopy）就是研究這些電子行為最為直接、也是最為有效的一種方法。這里舉一個例子，單質(zhì)元素或其合金的超導性（~20K或20K以下）在上世紀初即被發(fā)現(xiàn)，其超導機制—電子之間的相互作用機理—的理論解釋在50年后才實現(xiàn)。在上世紀80年代發(fā)現(xiàn)統(tǒng)稱為強關聯(lián)體系的陶瓷材料具有高溫超導特性—其居里溫度最高到160K。在這個新型宏觀電學特性面前，已經(jīng)建立起來的理論體系失效，電子之間什么樣的相互作用導致在如此高的溫度下形成Cooper電子對，現(xiàn)象與其根源之間存在的鴻溝需要有大量的實驗數(shù)據(jù)牽線搭橋。光電子能譜實驗研究正是理解電子之間相互作用機理獨特作用的有效方法之一。

北京同步輻射實驗室光電子能譜實驗站（4B9B），自1992年開始對用戶開放已經(jīng)過去30年。在這30年間得到國內(nèi)許多用戶群體（清華、北大、復旦、浙大、物理所等大學和研究所相關課題組人員）的大力支持，在此對各位的支持和關注表示感謝。

二、束線結構和基本參數(shù)（含樣品處光束性能）

圖1 4B9B 束線結構

圖 2?同步輻射專用光、兼用光與改造前專用光4B9B光束線接收光強比較

?樣品處光源參數(shù)

1, 能量范圍 ：10～1000eV

2, 光通量(photons/s)：>1×10¹⁰

3, 能量分辨率：~1500　?

4, 光斑尺寸（H×V）： <2×0.8 mm²

三、實驗站主要設備

1. 測量設備

·角積分能量分析器（R4000）

·角分辨電子能量分析器（R4000）

·低能電子衍射儀（LEED）

·反射高能電子衍射儀（RHEED）

· 殘余氣體分析儀

2. 樣品制備及處理

·氬離子轟擊制備清潔表面

·從300K 到1000 K進行樣品加熱

·用激光分子束外延(LMBE)方法生長氧化物及難熔材料

·多種氣體管路及微調(diào)閥用于制備吸收表面

·分析室樣品架可低溫（6K）測試

3. 樣品傳送：由于上述過程均在超高真空條件下完成，樣品必須經(jīng)快速進樣室送入預備室預抽后，進而傳遞進入預備室、分析室、分子束外延室或激光分子束外延室。

4. 控制：以下所列均由一臺主機控制

·實驗采集數(shù)據(jù)

·球面光柵的切換和轉(zhuǎn)動：用于選擇光子能量及用于CFS, CIS 實驗的光子能量掃描

·前置鏡的姿態(tài)調(diào)節(jié)

5. 真空系統(tǒng)：分為分析室，制備室和外延生長室。系統(tǒng)真空好于5×10－10Torr。

四、基本原理、優(yōu)點和研究領域

圖3 光電子能譜原理圖

光子入射到固體表面激發(fā)出光電子，利用能量分析器對光電子進行分析的實驗技術稱為光電子能譜，基本關系式為：Ek=hν-Eb-φ。同步輻射光電子能譜以單色化的同步光作為激發(fā)光源，是研究材料表面和界面電子及原子結構的最重要手段之一。

其主要特點是：

1、由于光源的光子能量可以連續(xù)改變，將光電子能譜的研究對象拓展到包括占據(jù)態(tài)和空態(tài)兩者；

2、通過測得的光電子能譜譜峰隨光子能量和/或光電子發(fā)射角的變化，可以推知被測樣品中電子的能量狀態(tài)在波矢空間中特定方向上的變化特征，即能帶的色散。

?五、研究方法和發(fā)展方向

?（一）、研究方法：

（1）實驗手段：

·同步輻射角積分光電子能譜（SRPES）、同步輻射角分辨光電子能譜（ARPES）；

·全電子產(chǎn)額模式軟X射線吸收譜（TEY）；

·高能電子衍射（RHEED）、低能電子衍射（LEED）、常規(guī)X射線光電子能譜（XPS\UPS\二次電子截止邊）等常規(guī)測量手段；

·氬離子轟擊、電子束退火、低溫冷卻、氣體吸附等樣品處理手段；

（2）實驗模式：

由于光子能量的連續(xù)可調(diào)性，同步輻射光電子能譜(SRPES)實驗可以在幾種模式下進行：

1) EDC模式：光子能量固定的能量分布曲線(Energy Distribution Curves)實驗，即以一定能量的光子做激發(fā)源，測定樣品表面導帶和價帶的電子能態(tài)分布。

2) CFS模式：固定終態(tài)譜(Constant Final-state Spectra)實驗，即用光子能量掃描而恒定檢測某一終態(tài)動能的光電子譜，可以用來測量界面形成過程中的表面能帶結構和能帶彎曲。

3) CIS模式：固定初態(tài)譜(Constant Initial-state Spectra)實驗，即選擇并固定使芯能級到空表面態(tài)躍遷最強的初態(tài)能量，將光子能量和檢測光電子的動能做同步掃描來研究空表面態(tài)。

（二）、發(fā)展方向：

金屬(包括合金)、氧化物、半導體的表面和界面電子結構；

C60、納米碳管等新型材料與其衍生物的表面電子結構；

材料表面成分及結構研究；

薄膜功能材料的表面電子結構研究；

高溫超導材料的表面電子結構；

二維材料的表面電子結構；

拓撲材料的表面電子結構；

六、聯(lián)系方式

線站負責人：王嘉鷗，010-88235992，wangjo@mail.ihep.ac.cn