時間分解光電子分光

概要

本ステーションでは、BL07LSUにおいて得られる高輝度軟X線パルスと超短レーザーパルスを組み合わせたポンプ・プローブ時間分解光電子分光測定により、 光誘起表面相転移や表面化学反応などの動的現象における電子状態・化学状態・振動状態・原子構造の変化をモニターし、その機構を解明することを目的としています。

実験装置

本ステーションの実験装置は、

  1. 飛行時間型2次元角度分解電子分析器 (VG Scienta; ARTOF 10k) を用いた新規光電子測定系
  2. フェムト秒レーザーシステム
  3. レーザーパルスと軟X線パルスのタイミング同期・遅延時間の高精度制御システム
から構成されています。(図1)

本ステーションでは、時間分解光電子分光測定用の高分解能・高効率光電子分析器として 飛行時間型2次元角度分解電子分析器を採用しています。 レーザーシステムは、発振器とマルチパス増幅器による高パワー・低繰り返しフェムト秒レーザー(2.5 W, 1 ~2 kHz)と 発振器の出力をポッケルセルによりパルス切り出しする事により得られる低パワー・高繰り返しフェムト秒レーザー (0.7~3.5 mW, 0.2~1 MHz)が整備され、対象とする動的現象(励起パワー・緩和時間)に応じて最適なレーザーを使うことが 可能になっています。 また、レーザーパルスと軟X線パルスを約50ピコ秒(放射光パルス巾に相当)以下のジッターで同期させることに成功しており、 電気的遅延回路により約1ピコ秒の精度で遅延時間制御が可能になっています。  

trPES_overview
図1:時間分解光電子分光 概略図

研究例

半導体表面のキャリアダイナミクス

半導体表面では、表面とバルクの電荷の違いを補うために表面近傍に空間電荷層が形成され、 バルクバンドのエネルギーが表面深さ方向に連続的に変化します(バンド曲り)。 この半導体表面にバンドギャップ以上のエネルギーを持つ光を照射すると、電子‐正孔対(キャリア)が生成します。 生成した両キャリアはバンド曲りにより空間的に分離し、新たなポテンシャルを形成しバンド曲りを減少させます。 この現象は表面光起電力(Surface Photovoltage; SPV)効果と呼ばれ、光照射後ある時定数をもって元の状態に緩和していきます。 この緩和過程におけるエネルギー変化は内殻光電子ピークのエネルギー位置の変化として観測することができます。
図2にSi(111)7x7清浄表面におけるSPV効果の緩和過程を時間分解光電子分光測定により調べた例を示します。 ピコ秒からマイクロ秒に渡る広い時間範囲における電子状態の動的変化が50ピコ秒の時間分解能で測定可能なことが分かります。
今後は、本時間分解光電子分光測定を半導体表面における光誘起金属-絶縁体転移、 モデル光触媒としての金属・半導体界面における光誘起キャリアダイナミクス・表面酸化還元反応 などの系に展開させていく予定です。

trPES_dynamics
図2:時間分解光電子分光法により調べた Si(111) 7x7清浄表面における表面光起電力効果の緩和過程。
プローブ用放射光(SR)のパルス構造を利用することで、ポンプ・プローブ遅延時間を変化させることなく、
複数の時間発展をプローブする"one pump-multiple probe"時間分解光電子分光が可能になっている。

軟X線2次元角度分解光電子分光

図3にARTOF 10kにより測定したSi(111) 7x7清浄表面の軟X線角度分解光電子スペクトルを示します。 ARTOF 10kでは従来の半球型電子分析器と異なり光電子の飛行時間から運動エネルギーを求めるため、 試料や分析器を回転させることなく2次元角度(波数)方向(kx, ky)の同時測定が可能です。 実際図3に示すデータはサンプルと電子分析器を固定したまま測定した3次元バンド分散図で、 分解能やS/N 比に応じて3~9時間で測定が可能です。

ARPES_Si111
図3:Si(111) 7x7清浄表面の角度分解光電子スペクトル(光エネルギー 252 eV)
(a)3次元バンド分散図、(b)2.65, (c) 3.95, (d) 6.45 eV結合エネルギーでの等エネルギー面

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問い合わせ先

東京大学物性研究所 極限コヒーレント光科学研究センター 軌道放射物性研究施設
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