光電子分光を用いた物性研究
  装置から基礎さらに強相関電子系研究のフロンティアまで
大阪大学大学院基礎工学研究科 菅 滋正

光電子分光は固体の電子物性研究の有力な手法としてその利用対象はきわめて広い。 He放電管やX線管から放射光光源さらにアンジュレーター光源の利用と言う形で利用できる光強度が飛躍的に増加し、 今日まで発展が続いている。分光光学系の進歩と共に励起に使える光のエネルギーの高分解能化も顕著である。 さらに静電半球型電子エネルギー分析器の高性能化に伴い、 2次元検出器を利用して簡単に角度分解測定ができるようになり、 汎用装置としての地位を確立したと言って良い。 現在では1keVで100meV、7eVで数百μeVの分解能での測定も可能となっており、 角度分解能も0.1度をきる測定が可能である。

ところで光電子は主に電子間相互作用によって非弾性平均自由行程(λ) が決まるために光電子の運動エネルギーが20〜100eV領域に3〜5A程度の極小を持つ。 このことは電子状態が表面と固体内部(バルク)で類似している場合は良いとして、 両者が大きく異なる場合には深刻な問題を引き起こす。 特に電子相関エネルギーUが大きな系(強相関電子系)では、 電子の移動エネルギーtが表面では最近接原子数に応じて減少するのためにU/tがバルクと表面とで大きく異なり、 バルクで金属的な電子状態が表面では絶縁体的になることさえある。 それゆえλが10〜100Aと大きくできる軟X線あるいは硬X線光電子分光が近年各国で急速に盛んとなっている。 一方光エネルギーを極端に下げて10eV以下にすると、バルク敏感性が急増することも知られており、 これを利用してフェルミ準位近傍に限られるものの、電子状態を数百μeVの超高分解能で知ることもできる。 このように光電子分光は現在大発展期にあり物性研究にとって無くてはならない存在となっている。



Photoelectron spectroscopy (PES) is a very powerful means to study electronic structures of solids. Nowadays synchrotron radiation and undulator radiation are widely used to provide very high energy resolution of photons. By virtue of the development of high performance electrostatic hemispherical electron energy analyzers with a two dimensional detector, even the high resolution angle resolved measurement is conventionally performed. The typical total energy resolution is <100meV near 1keV and <10meV at several tens eV and the typical angular resolution can be set below 0.1 degree. As well known the typical inelastic mean free path of the photoelectrons is minimal in many materials between 10-100 eV. Its value is around 3-5 A and the measurement becomes inevitably surface sensitive. In order to study bulk electronic structures of strongly correlated electron systems, which are much different from those on the surface, high energy PES in the range of several hundreds eV and several keV are required. Such experiments are now developing worldwide. Even though the energy range is limited in the vicinity of the Fermi level,PES at 7-12 eV is powerful to realize extremely high resolution of the order of hundreds micro eV together with the bulk sensitivity in various materials.

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