二维材料的角分辨光电子能谱研究

材料的电子结构是决定其电、磁、光等性质的关键因素,而能够直接观测材料电子结构的角分辨光电子能谱(Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy, ARPES)技术是研究材料的基本物理和化学性质的先进技术手段之一.近年来,各种具有优异性能的二维材料被人们不断发掘出来,并有望成为未来光电、电子和自旋器件的基础材料.本文将对ARPES的构成和原理做简要的介绍,并总结了当前利用ARPES技术研究二维材料电子结构及其基本物性的前沿进展.本文所关注的二维材料体系主要包含以下四个部分:石墨烯、氮化硼、单元素二维材料、过渡金属硫族化合物.其中对石墨烯的ARPES研究成果最为丰富,对它的研究直接引领了对其他二维材料的ARPES研究.当前,对基于不同二维材料相互堆叠形成的异质结构的研究正方兴未艾,我们在文中也提及一部分关于二维堆垛异质结构的ARPES研究.     

铁基高温超导材料的角分辨光电子能谱研究

高温超导电性是近代凝聚物理关注的核心问题.高温超导的研究一方面具有重大的应用前景,另一方面推动了多体关联凝聚态物理理论和计算的发展.铁基高温超导材料是除铜氧化物高温超导外的第二类常压条件下的高温超导材料.在对铁基高温超导的研究过程中,研究者利用角分辨光电子能谱技术对铁基高温超导材料的电子结构、对称破缺相、超导能隙等进行了详细的研究,为揭示铁基高温超导配对机制提供了重要的实验依据.近些年,角分辨光电子能谱实验更是在一些铁基高温超导材料中发现了拓扑超导存在的证据.本文将对铁基高温超导材料的角分辨光电子能谱相关工作进行总结.     

拓扑绝缘体能带结构的角分辨光电子能谱研究

以拓扑不变量定义和区分的拓扑材料的发现标志着凝聚态物理学和材料科学的又一次革命.这些材料的拓扑表面态的鲁棒性、背散射禁戒和特殊的输运行为在自旋电子学、非线性光学、拓扑量子计算等广泛的领域有潜在的应用价值.角分辨光电子能谱(ARPES)既能直接观察k空间,又对表面电子态敏感,因此在拓扑材料的研究中一直处于举足轻重的地位.本文试从材料分类的角度对三维拓扑绝缘体和本征磁性拓扑绝缘体这两类材料的部分ARPES研究作一综述,使读者对这一领域的研究现状有一个基本的概念.     

拓扑半金属的角分辨光电子能谱研究

拓扑半金属是一类新奇的量子材料,它存在受拓扑保护的无能隙体态能带交叉和特征表面态.根据能带交叉的维度和简并度,拓扑半金属可以简单分为:零维的四重简并狄拉克半金属、二重简并外尔半金属、三重/六重/八重简并点半金属,和高维度的节线/节面半金属.近十年来,基于角分辨光电子能谱(ARPES)实验技术,人们可以直接测量拓扑半金属中的体态能带简并和特征表面态,清楚地揭示材料的拓扑本质.本文系统性回顾了使用ARPES研究各种类拓扑半金属的成果与进展,有助于理解其物理性质、拓扑起源以及探索更多新奇拓扑半金属.     

ZnO(000(-1))表面的同步辐射角分辨光电子能谱研究

利用同步辐射角分辨光电子能谱（angle-resolved photoeletron spectroscopy,ARPES）并结合全势缀加平面波（full potential linearized augmented plane waves, FPLAPW）理论计算方法研究了ZnO（0001^-）表面的价带电子结构及能带色散．通过垂直出射的ARPES得到ZnO体态沿ГA方向的能带结构并确定了两个表面态，实验结果与理论计算结果较为一致．利用非垂直出射的ARPES得到这两个表面态沿Г^- KM^-方向的二维能带色散．     

ZnO(000)表面的同步辐射角分辨光电子能谱研究

利用同步辐射角分辨光电子能谱(angle-resolved photoeletron spectroscopy,ARPES)并结合全势缀加平面波(full potential linearized augmented plane waves,FPLAPW)理论计算方法研究了ZnO(000)表面的价带电子结构及能带色散.通过垂直出射的ARPES得到ZnO体态沿ΓA方向的能带结构并确定了两个表面态,实验结果与理论计算结果较为一致.利用非垂直出射的ARPES得到这两个表面态沿ΓKM方向的二维能带色散.     

ZnO(000)表面的同步辐射角分辨光电子能谱研究

利用同步辐射角分辨光电子能谱(angle-resolved photoeletron spectroscopy,ARPES)并结合全势缀加平面波(full potential linearized augmented plane waves,FPLAPW)理论计算方法研究了ZnO(000(-1))表面的价带电子结构及能带色散.通过垂直出射的ARPES得到ZnO体态沿ΓA方向的能带结构并确定了两个表面态,实验结果与理论计算结果较为一致.利用非垂直出射的ARPES得到这两个表面态沿(-Γ)(-KM)方向的二维能带色散.     

铜氧化物高温超导体电子结构和超导机理的角分辨光电子能谱研究

与单质金属或者合金为代表的常规超导体不同,以铜氧化合物高温超导体为代表的非常规超导体的超导机理超出了BCS理论的解释范畴,已经成为凝聚态物理领域的重大科学问题.角分辨光电子能谱技术以其独特的电子能量/动量分辨的优势,在铜氧化物高温超导体的能带结构、能隙行为、多体相互作用等相关物理和超导机理的研究方面发挥着重要作用.角分辨光电子能谱实验技术的提高和数据分析方法的发展,不仅丰富了铜氧化物超导体的电子相图,并且不断加深了人们对其内在物理本质的认知.本文总结了近年来角分辨光电子能谱技术的最新进展,并集中讨论了其在铜氧化物高温超导体研究中对能带结构演化、超导能隙行为和电子-声子相互作用等方面取得的最新研究进展,最后介绍了使用Eliashberg函数数值分析研究高温超导体超导机理的方法.     

中国基于同步辐射光源的ARPES线站简介

角分辨光电子能谱(ARPES)凭借直接探测电子能量和动量的优势,在研究固体材料能带结构、费米面以及能隙等方面发挥着重要作用.近年来,通过追随国际领先水平,我国ARPES技术得到了飞速发展,其中与第一、二、三代同步辐射光源的结合更是帮助凝聚态物理和自旋电子学等研究方向实现了许多重大突破.本文从线站技术特点和主要成果两个角度简要介绍了目前中国主要的基于同步辐射ARPES光束线站:包括合肥光源角分辨光电子能谱线站,上海光源“梦之线”、BL03U、BL07U-Nano ARPES和BL07U-自旋分辨ARPES线站,同时还对基于未来合肥先进光源的新ARPES线站进行了展望.这些实验站将在新型量子材料探索与调控、微纳原型器件的研发等方面提供关键且不可替代的技术支撑.     

磁性多层膜Ta/NiO/NiFe/Ta角分辨XPS

磁性多层膜Ta/NiO/NiFe/Ta由磁控溅射方法制备.采用角分辨X射线光电子能谱(XPS)研究了反铁磁(NiO)/铁磁(NiFe)界面.结果表明,在NiO/NiFe界面发生了化学反应: NiO+Fe = Ni+FeO和3NiO+2Fe =3Ni+Fe2O3,此反应深度约为1～1.5 nm.反应产物将影响NiO对NiFe的交换耦合.     

有机同系物光电子能谱的递变规律（Ⅰ）──共轭体系光电子能谱的验证

本文提出一种前人未报道过的有机同系物光电子能谱的递变规律，其表示式为：并用共轭体系的光电子能谱数据对该递变规律进行了验证     

X射线光电子能谱（XPS）中的“鬼线”

作者论述了在Ｘ射线光电子能谱（ＸＰＳ）中“鬼线”产生的机制，“鬼线”的特征及其鉴别方法，提出了在ＸＰＳ分析中减少或克服“鬼线”干扰的相应措施，对在ＸＰＳ微量分析中确定元素的存在具有重要的参考价值。     

纳米晶LaFeO3 薄膜的制备与不同气氛处理后的光电子能谱

利用sol\|gel工艺, 在硅衬底上制备了纳米晶LaFeO₃薄膜. 测试了在乙醇蒸气和NO₂气氛下处理后的光电子能谱(XPS), 结果表明, 纳米晶LaFeO₃ 薄膜吸附乙醇后, 表面吸附氧含量明显降低, 铁含量略有下降; 吸附氧化性气体NO₂后, 表面吸附氧和铁含量明显增高, 且存在三价铁离子向四价铁离子转化的趋势. 通过测试和分析表明, LaFeO₃ 的敏感机理不仅与表面吸附氧相关, 还与表面三价铁离子的变价有关.     

光电子能谱在钒酸钇晶体生长中的应用

应用光电子能谱分析了钒酸钇（YVO4）多晶斜与单晶之间的关系，成功生长出低缺陷的YVO4晶体，并对晶体进行检测。由检测结果得出，YVO4晶体的小角晶界，散射中心等缺陷与多晶斜的Y,V质量比有密切的关系，晶体的外形变形、与晶体温度场关系较大。     

溶胶-凝胶法制备钛酸锶钡薄膜的光电子能谱研究

采用改进的溶胶-凝胶法配制了(Bax,Sr1-x)Ti O3(BST)溶胶.利用旋转涂覆工艺在Si O2/Si衬底上甩胶,在不同的热处理条件下制备出不同Ba/Sr比的BST薄膜.SEM测试结果表明BST薄膜断面平整致密,均匀,无裂纹;化学组态和结合能分析表明BST薄膜的价态为钙钛矿结构的价态.     

分子光电子能谱计算模拟的DVR方案

采用离散变量表示（DVR）方案研究了双原子分子在强场下的多光子电离光电子能谱,得到了与实验相同的结果．在这种方案中,时间演化算符的幺正性保证了波函数在传播过程中的规范性．另外,可以根据实际情况选择一定个数的基矢和格点。在一定程度上提高了计算效率,特别是在计算模拟具有多个势能面参与的光电子能谱时,其优越性是显而易见的．     

显微组分热解硫迁移的X射线光电子能谱研究

用手选富集与离心分离相结合的方法,从两种全硫含量相近、变质程度相近的新西兰煤和灵石煤中分离出高纯度镜质组和惰质组.在高纯Ar气氛下,分别制备了300,500,700,1 000℃下的显微焦.用傅里叶转换红外光谱(FTIR)研究了两种镜质组和惰质组中的脂肪氢随温度的变化规律,用X射线光电子能谱(XPS)研究了煤岩显微组分在室温至1 000℃热解过程中有机硫的变迁规律.结果表明,镜质组中的有机硫化物硫含量高于惰质组的,在镜质组和惰质组热解焦中,噻吩硫都占主要部分.在相同温度下,镜质组的脱硫率高于惰质组的.在温度较低时,镜质组的脱硫率相似,但当温度高于700℃时,热稳定性较差的镜质组显示出更高的脱硫效果.     

非晶碳氮薄膜的X射线光电子能谱研究

采用空心阴极等离子体化学气相沉积法,在甲烷一氨气、氢气混合气体体系下,制备出了非晶碳氮薄膜。利用原子力显微镜（AFM）及X射线光电子能谱（XPS）对薄膜的表面形貌、成分及微观结构进行了测试和表征。结果表明,薄膜的表面光滑、致密,均方根粗糙度小于0．5nm;薄膜中的氮含量随NH3（H2）流速的增加呈现降低的趋势,sp^2C—N及sp^3C—N键含量均随氮含量的增加而增加。     

一些磷化合物的X射线光电子能谱

本文研究了一些磷化合物的X射线光电子能谱,测定了磷1s电子的结合能、磷2p电子结合能和磷KLL俄歇电子能量,首次报导了九个磷化合物的有关电子能谱值,并讨论了这些电子能谱位移与化学状态之间的对应关系.     

利用X射线光电子能谱确定煤及其残焦中硫的形态

利用X射线光电子能谱(XPS)技术分析了宜宾煤及其释放出挥发分后残焦中硫的形态,研究了煤中的硫在挥发分释放过程中的迁移规律.结果表明:XPS能够鉴别出宜宾煤中的硫;宜宾煤的S2p图谱有2个需要解叠的峰,分别位于163～164eV和169～171eV之间,这主要是由煤中的硫化铁和硫酸盐引起的;宜宾煤中含有硫砜,但不含亚砜.残焦的分析结果表明,在900℃加热条件下,宜宾煤在释放挥发分的同时,其中的部分燃料硫能够转化为硫酸盐和亚硫酸盐并被固定在残焦之中.在煤的挥发分释放过程中,也有部分燃料硫与挥发分一起释放出来,其份额与加热温度有关,随温度的升高而增加.