Moderní experimentální metody Rentgenová a elektronová spektroskopie III Fotoelektronová spektroskopie • Fotoelektronová spektroskopie (XPS) a spektroskopie Augerových elektronů (AES) • Experimentální aspekty • Zdroje: ARPES, ARUPS • Detektory • Příprava vzorků • Úhlově rozlišená fotoelektronová spektroskopie (ARPES) • EELS Fotoemise a Augerův jev Fotoelektrony - přímo vyražené fotonem Augerovy elektrony - sekundární emise - alternativní proces ke vzniku charakteristického rtg záření. photoemission Auger Elektronová spektroskopie měří kinetickou energii elektronů. Charakteristické rtg záření O £0 40 60 60 100 120 Atomic number Fotoemise a Augerův jev Fotoelektrony - přímo vyražené fotonem Augerovy elektrony - sekundární emise - alternativní proces ke vzniku charakteristického rtg záření. K fi \ - r vac €B(PE) kin ^b(A) kin(sp) photoemission Auger vzorek spektrometr XPS - ESCA Electron spectroscopy for chemical analysis • Reálne všechny prvky pro Z>=3, od Li • Citlivost - jednotky promile • Povrchová citlivost - povrchová kontaminace • Chemický stav povrchu • Profily podél povrchu • Do hloubky při kombinaci s iontovým svazkem Fotoelektronová spektroskopie Podmínky experimentu: Energie fotonů: 10 až 2000eV Laboratorní zdroje: • He výbojka 21 eV • Mg lampa 1254 eV • AI lampa 1486 eV Synchrotron - laditelný zdroj Vysoké vakuum (tlak max ÍO6 Pa) Vysoká kvalita a čistota povrchu vzorků Optika - jen na odraz - zrcadla, difrakční mřížky, žádná okénka! Hloubka vniku 10° - 101 nm XPS Fotoelektronová spektroskopie Gas Emission Line Energy (eV) Wavelength (nm) Relative Intensity (%) H Lyman a 10 20 121.57 100 Lyman (3 12 09 102.57 10 He 1 a 2122 5843 100 1 p 23.09 53.70 approx 1.5 1 V 23.74 52.22 0.5 2 a 40.81 30.38 100 2p 48 37 25.63 <10 2V 51 02 24.30 negligible Ne 1 a 16.67 7437 15 1 a 16 85 73.62 100 1 p 19.69 6297 <1 1 p 19.78 6268 <1 2 a 2681 46.24 100 2 a 26.91 46.07 100 2p 27.69 44.79 20 2p 27.76 4466 20 2P 27.78 44.63 20 2p 2786 44.51 20 2V 30.45 40.71 20 2V 30.55 40.58 20 Ar 1 11.62 106.70 100 1 11.83 104.80 50 2 13.30 93.22 30 2 13.48 91 84 15 ARPES Hemisférický analyzátor + CCD Hemisférický analyzátor V(r) = - (R2 - At) (R1R2) + const \E(r)\ = - (Vi - Vi) {R2 - R1) (R1R2) V(r) = ^r°^°^ const. R0=(R1+R2)/2 ARPES Hemisfericky analyzator VG Scienta R4000 Scienta R4000 Spectrornicroscopy Performance Optics: Enecgy resolution: Theoretical resolving power using 0.2 mm entrance slit: Kinetic energy range: Spatial resolution: Magnification: Imaging Mode Transmission Mode Ultimate angular resolution: Widest angular range for multiplexed angle recordings: < 2 meV 1 Ox, 20x, 40x 5x 0.1 degrees 10 degcees R4000 Spectrometer XPS Detekce: CCD Channeltron XPS h—r i t t i 1—I f i 11 f-r-1—r l l t t t i 100 I— Alftl 50 CL io \ At* Theory \ J_I_I L ' Hi* Ai* J_I_i J i i n . Of* A*" "» 4ua ....... -i- 10 50 100 500 Electron energy ( eV ) 1000 2000 ......1_I_I_■ i ■ i i « I_I_I_I_I ■ ' |' I_I_I_......'_I_I_I_l_L 10 UK) 1000 Kinetic I energy (eV) XPS Příprava vzorků Atomárně čistý povrch a hladký povrch • Štípání ve vakuu • Depoziční aparatura v UHV propojená s XPS komorou • Vakuový kufřík • Ochranné vrstvy Fotoemise a Augerův jev Fotoelektrony - přímo vyražené fotonem Augerovy elektrony - sekundární emise - alternativní proces ke vzniku charakteristického rtg záření. K fi \ - r vac €B(PE) kin ^b(A) kin(sp) photoemission Auger vzorek spektrometr XPS Rentgenová fotoelektronová spektroskopie X-ray Photoelectron Spectroscopy-XPS, PES Kinetická energie elektronu dopovídá rozdílu energie fotonu a ionizační energie slupky. in Tilu- [eB(PE)+s p J Umožňuje detekovat změny vazebné energie chemickým stavem atomu. XPS na germaniu s velmi tenkou oxidovou vrstvou. c OJ •il—i—i—i—i—i—i—i—i—r Ge 2p 2.3 eV 3/2 Ge3d GeO j_i_ J_I_1_I_ft_I_I_I_I_I_I_J__3_l 1224 1220 1216 34 30 Binding energy (eV) 26 XPS Priklad: Bi2(Se,Te)3 excitace 125 eV. Kinetic energy (eV) Fotoemise a Augerův jev Fotoelektrony - přímo vyražené fotonem Augerovy elektrony - sekundární emise - alternativní proces ke vzniku charakteristického rtg záření. K fi \ - r vac €B(PE) kin ^b(A) kin(sp) photoemission Auger vzorek spektrometr AES Spektroskopie Augerových elektronů Auger Electron Spectroscopy - AES Energie elektronu při přechodu na uvolněnou hladinu se může předat Augerovu elektronu. ug efi - [eB(A) + <Ž>S pJ Charakteristické energie se značí FIB. Přechod I - F, ionizuje se B. Pravděpodobnost emise Augerova elektronu a rtg záření závisí na protonovém čísle. Augerova spektroskopie je nejcitlivější na lehké prvky. 1.0 0.9 0.8 £ 0.7 5 0.6 0.5 - Často se měří v kombinaci s XPS, používá se v elektronové mikroskopii. hky = v2mĚ sin 0 sin (j> Tik? = v2mE cos 0 energie ound — hbJi £ldn, elektron (sin (0)x + cos (0) sin (0)y) 2meEk in Dispersive plane High \Pi Non dispersive plana SamplQ Measurement is is the work function. A is the hole spectral function and C is a Lorentzian distribution to account for the real-space damping of the outgoing electron wave, with being the perpendicular wave vector for the un-damped final state wave. Mf{ is the matrix element for the pho toe mission process. The integration is over all possible perpendicular wave vector components k2r For QWS or surface states, this integration becomes irrelevant. The quantity of most interest is often the spectral function A. In simple terms, this is a measure of finding an electron with a certain energy and crystal momentum, i.e. an image of the band structure, including lifetime broadening effects. For two-dimensional systems such as surface states and QWS, the photoemission intensity is directly proportional to A, as no final state broadening has to be considered. For a detailed further analysis, it is only necessary to assume that the matrix element does not depend strongly on the binding energy or the wave vector. I OP Publishing Semiconductor Science and Technology Semicond. Sei. Techno]. 27 (.2012") 12.4O01 C14pp> doi: 10.1088/0268-1242/27/12/1 24001 INVITED PAPER The electronic structure of clean and adsorbate-covered Bi2Se3: an angle-resolved photoemission study Marco Etiaiitlii1, Richard C Hatch1, Damian Giian1, Tilo Planke1 , Jianli Mi2, Bo Brummerstedt Iverseii2 and Philip Hofmann1 ARPES Příklad: pásová struktura Bi2Se3 Y-Scale [d eg] V-Scale [degj k, (A1) K (A1) (A1) Figure 5. ARPES spectra for the pristine surface of Bi2Se^ High photoemission intensity is displayed in bright, (a) Energy dispersion in the KTK direction of the SBZ and (b) Fermi surface for the stoichiometric Bi^Sei sample, (c) and ( critical value Topological transition can be tuned by temperature and Sn content p-type carrier concentration decreases with increasing of Pb content —I-1-1---1—— O OTA present aa la ( heating) *> data o , & ant- ond two - phasf samples ----a---- OTA d*t*r™iinfltL^fi of 2fwl ärdör Band inversion In RbSniTe(Se) —i—S—I—11 -°" o.e o.4 Mole Fracrit 0.2 Si»ö_ S«„ Stoichiometric FbTe liquidus ^_ 10" 1022 TO23 Electron Brillouin zone projections onto (001), (111), anr^j (110) planed Pb^SnJe 88,241303(R) (2013) Angle Resolved Photoemission Spectroscopy Photo-excitation hv > lOeV/ ♦ ♦ Sample Spectrum ¥""K"/y Valence Core levcis N(E) hv- const Angle resolved photoemission (ARPES) Photoemission N(EPE)~D(EBE) EK = hv-ED-0 Ekm =hv-{EB)-0A hv —const, z* N(E) analyzer detector We need: binding energy - Eb initial momentum - k1 a or b sample Eb Y E - hv + W ■=> E(k,)-dispersion k\ =kf„ =7 2m£/h^^) k=kf-<3=7 2mE/fr cose-G Energy Conservation KB=h 3D E{k) dispersion obtained by hemispherical electron analyzer and 2D detector array > Resolution: AE ~10meV, A6 ~0.1C Angular Resolved Photoemission: Examples Examples: Bi2Se3 •BCB SSB EF En I ' I I I 1111_i_.......' 2 5 10 50 100 500 1000 2000 ELECTRON ENERGY (eV) Zoom-in around the r - Point: PbSnSe (111) Epilayers (a) PbSnSe with xSn = 10%: Normal band structure -0.05 j j j :DE := i j ;i iE £ 0.20 ■ -m 0.25 m° 0.30 j ?E ;i iE 180m eV jj DE 10.101 0.1E 10.20 I . 10 30 141meV -005 0 0 05 K.{A"1) -0.05 0 0.05 84m eV j1j D.1E j 23 "i /f K,|{A-1! -0.05 0 0.05 K,|{A"1! -0.05 0 K„ K„|A"'] ^>Eo(x,T) = 125 - 1021x + (480 + 0.256 T2) 1/2 300 I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I i I I I I > ® 200 150 CL CO 100 CD -o 50 00 -50 CD CO -100 c CO -150 -Q CL -200 -250 -300 250 |E (x,T) of PbSnSe xsn = 10% xsn = 20% 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 Temperature (K) 2D Structures: TCI Surface Quantum Wells ^ MBE of asymmetric quantum wells (vacuum barrier): discreet 2D QW states ^ Opening of a gap due to coupling between top & bottom topological surface state (a) PbSe QW pT3Q50^=o%] pT23QO^=P% dpw=100A xsn = 0% (M2969a) PbEuSe E o > PbSe > cq LU 0.05 =- o.io h 0.15 h 0.20 p 0.25 r 0.30 r 0.35 h 0.40 h 0.45 1= 0.50 h 0.55 h 0.60 h 0.65 B LI= 176^x^=0% Ei_L 1 1 LI = 85X^x5^0% -ii ~180meV 0 ^.05 Km (A) -0.05 0 0.05 K„ (A1) -0.05 0 0.05 K„ (A) NanoESCA- kombinace mikroskopie a spektroskopie PEEM - photoelectron microscopy Imaging ESCA- zobrazení jen určité energie elektronů XPS -■ ■ - -1 ■ -11 ^ 5|fitem MCP Sawi I"um nt Rozlišení 50nm Clean Surface Preparation by Capping / Decapping ^ Surface needs to be protected against oxidation during transfer from MBE to ARPES in air: Use of an easily desorbable capping layer I. Selenide Compounds: Amorphous Se cap layer (~ 100 nm ) deposited at RT: Volatile surface oxide Se-cap PbSnSe substrate 1. PbSnSe growth II. Se capping After growth/350°C 100 nm Se cap 50°C • • Decapping: Heating RT - 300C (P=const.) T = 229°C T = 300°C ■=> Clean surface recovered at Tdes < Tgrowth II. Tellurides: ^ More difficult Tellurium oxide is too stable for desorption & Se strongly intermixes with tellurides ^ Te / Se double cap layer structure used. T =300°C 1 aim JUU ^ Se Te Pbi-xSnJe BaF^