CC BY
0
УДК 543.428.4
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ФОТОЭМИССИИ С УГЛОВЫМ РАЗРЕШЕНИЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИНХРОТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
1*
А. А. Типцова
1 2
Научный руководитель - А. С. Паршин , О. Е.Терещенко
1Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 2Центр коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» Института катализа Сибирского отделения Российской академии наук Российская Федерация, 630559, п. Кольцово, пр. Никольский, 1 Е-mail: anya_tipcova@mail.ru
Рассмотрены возможности и перспективы применения метода фотоэмиссии с угловым разрешением в ЦПК СКИФ в г. Новосибирске
Ключевые слова: фотоэмиссия с угловым разрешением, синхротронное излучение, ЦКП СКИФ.
APPLICATION OF THE ANGULAR-RESOLVED PHOTOEMISSION METHOD
USING SYNCHROTRON RADIATION
A. A. Tiptsova1* Scientific supervisor - A. S. Parshin1, O. E. Tereshchenko2
1Reshetnev Siberian State University of Science and Technology. 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation 2Center for Collective Use "Siberian Ring Photon Source" of the Institute of Catalysis, Siberian Branch of
the Russian Academy of Sciences, 1,Nikolskii prospekt, Koltsovo, 630559, Russian Federation E-mail: anya_tipcova@mail.ru
The possibilities and prospects of using the method of photoemission with angular resolution at the SKIF in Novosibirsk are considered.
Keywords: angularly resolved photoemission, synchrotron radiation, SKIF.
Для прогресса в науке и технике очень важно иметь представление о свойствах полупроводниковых материалов. Они присутствуют на разных уровнях в технике: от микроэлектроники в телефоне до больших и сверхбольших интегральных схемах на основе кремния.
Один из способов узнать больше о физических свойствах полупроводников - метод фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением. Он основан на фотоэлектрическом эффекте, открытом в 1887 Генрихом Герцем и объясненным Альбертом Эйнштейном. При воздействии электромагнитным излучением на поверхность происходит эмиссия фотоэлектронов с валентных и внутренних уровней. По энергии отраженных вторичных электронов можно узнать об их изначальной энергии, как распределяются по зоне проводимости и о электронных оболочках атомов с помощью полученной спектральной функции.
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2022. Том 1
Кинетическую энергию электрона в оболочке получаем из уравнения фотоэффекта Эйнштейна и закона сохранения энергии [1].
Екин=ЬУ-Ес-Жвых
где Ъ\ - энергия кванта света (V - частота); Ес - энергия связи электрона относительно уровня Ферми; Екин кинетическая энергия вылетевшего в вакуум электрона; Жвых - работа выхода.
Процесс фотоэмиссии можно разбить на 3 стадии [2]:
1. Поглощение фотона электроном в твердом теле и процесс перехода электрона в возбужденное состояние
2. Движение электрона к поверхности, при котором электрон может претерпевать рассеяние на кристаллической решетки и создавать вторичные электроны (электроны, образующиеся в качестве продуктов ионизации).
3. В случае, когда кинетическая энергия электрона больше работы выхода твердого тела, он вылетает с поверхности
Синхротронное излучение дает большую спектральную светимость за счёт более сконцентрированного и высокоэнергетического пучка фотонов. Значительная интенсивность и непрерывность спектра в вакуумной ультрафиолетовой и рентгеновской областях с высокой и хорошо известной степенью поляризации (как линейной, так и круговой). Острая направленность СИ позволяет перенести на достаточно дальнее расстояние экспериментальные станции от источника в зону малой радиационной опасности и без потерь в качестве видимости. К примеру, синхротроне БЕБУ при удалении на 40 метров размер видимого пятна по вертикали достигает 4 см. Одним из основных преимуществ синхротрона в данном методе является возможность изменения энергии фотона. Это позволяет изменять как глубину анализа, так и устанавливать, являются ли состояния двумерными или принадлежат объему.
Дополнительно на повышают спектральную мощность последовательно установленные магниты с чередованием полярности. Они заставляют пучок колебаться по горизонтали (вигглер) или по вертикали (ондулятор). С помощью ондулятора можно сделать излучение более когерентным, такое излучение по природе своей похоже на синхротронное, но сам конус излучения более узкий и с ярко выраженными максимумами на определённых частотах. Вигглер позволяет изменить спектрально-угловые и поляризационные характеристики излучения фотонов без влияния на орбиту накопителя вне места их установки, а также одна из их возможностей - сдвиг спектра излучения в более жёсткую область, что продлевает жизненный цикл уже существующих источников СИ.
Синхротронное излучение в природе можно наблюдать на небе в виде излучения от, пульсаров, квазаров, из ядер галактик и остатков сверхновых [3]. Искусственно созданное СИ впервые получили в лаборатории Дженерал Электрик почти 75 лет назад 27 апреля 1947 Герберт Поллок, Роберт Ленгмюр, Франк Элдер и Анатолий Гуревич при работе с синхротроном, они заметили свет от пучка электронов. Ранее в 1944 году это явление предсказали Дмитрий Дмитриевич Иваненко и Исаак Яковлевич Померанчук. Они получили уравнение, которое описывают излучение релятивистских электронов.
С каждым новым поколением синхротронов уменьшается эмиттанс - фазовый объем, произведение размера источника на расходимость пучка. Чем он меньше, чем тем ярче пучок и сейчас перешли к четвертому поколению с увеличением яркости в 200 раз, как и энергия. В России четыре действующих установки для получения СИ: в Курчатовском институте (максимальная энергия 2,5 ГэВ), в г. Зеленограде в институте физпроблем им. Ф. В. Лукина и в г. Новосибирске на ВЭПП-3 и ВЭПП-4 (максимальная энергия 50 МэВ). В прошлом году объявили о постройке нового синхротрона поколения "4+" Центр коллективного пользования
"Сибирский кольцевой источник фотонов" Института катализа СО РАН так же в Новосибирске, модель будущего комплекса изображена на рис.1.
Рис. 1. Модель здания ЦКП СКИФ
Энергии, которые будут получать в ЦПК СКИФ, до 3ГэВ при эмиттансе 75пм*рад. На такой установке получение результатов будет не только более точным, но и в несколько раз быстрее. Получение излучения в широких диапазонах и возможность его разделить между большим количеством установок одновременно: 30 станций, две из которых выносные. -позволяет проводить исследования не только методом фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением. В будущем в центре могут быть проведены эксперименты для областей науки химии, физике, материаловедении, биологии, геологии и прочие.
Библиографические ссылки
1. Анализ поверхности методами ожэ- и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии / М. П. Сих, Бриггс Д., Ривьер Дж. К. и др. // «Мир». 1987. С. 589.
2. Михайлин В. В., Синхротронное излучение в спектроскопии. М.: Учебное пособие для студентов физического факультета МГУ им М.В. Ломоносова Москва: сборник для курсов «Синхротронное излучение и его применения», «Спектроскопия твердого тела» и «Методы спектроскопии с синхротронным излучением», 2007. 161 с.
3. Кулипанов Г. Н., Синхротронное излучение: генерация и применение. Н.: Школа молодых специалистов "Синхротронное излучение в науках о Земле", 2010. 28-49 с.
© Типцова А. А., 2022
