光電子分光(角度分解光電子分光)

 ある物質の性質について知りたい場合、その物質の電子状態を調べることが必要です。電子の「状態」は、 結合エネルギーや運動量さらに角運動量といった物理量によって記述されます。よって、これらの物理量を測定 すればよいのですが、 この点でこれから説明する光電子分光は、物質中の電子の束縛エネルギー及び運動量を 直接的に決定できるという点で、非常に優れた実験手法であると言えます。

原理の解説

 光電子分光(photoemission spectroscopy)は、物質に光を照射したときに電子が物質外へ放出される (外部)光電効果を基本現象として利用しています。左下の図は、光電子(光電効果で飛び出してくる電子)の放出過程の 概念図です。光が結晶内に入射すると結晶中の電子を励起しますが、その際、エネルギー保存測が成り立ちます。 ここで、入射光のエネルギーと飛び出してきた光電子の運動エネルギーを決定することができれば、結晶中での電子の 束縛エネルギーがわかります。このような非常にシンプルな原理によって、物質中での電子のエネルギー分布を得ることができます。



光電子放出過程の説明図

金のフェルミ準位近傍光電子スペクトル


光電子の放出角度を決めて測定すると、運動量についての情報も得ることができます。左下の図は、 角度分解光電子分光(angle-resolved photoemisison spectroscopy :ARPES)の原理を示したものです。 結晶中で光によって励起された電子は、真空に飛び出す前に結晶の表面を通過しますが、その際「運動量の表面に 平行な成分は結晶内外で保存される」という性質があります。この為光電子は、結晶中での運動量についての 情報を持ったまま真空中に出て来るのです。また、光の運動量は電子に比べて小さいので、基本的には光電子の 運動量を元々電子が持っていた運動量と対応付けて良いと考えられます。表面に平行な運動量成分は、放出角度を 測定することで決定できます。よって、detectorの角度を連続的に変えて光電子測定を行えば、電子のエネルギーと 運動量(波数)の関係(バンド分散)を 実験的に決定することができます。

角度分解光電子分光の説明図

CeSbの高分解能角度分解光電子スペクトル



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