Spettroscopia Luce di Sincrotrone

VUV

Linea di luce VUV-Photoemission

Paolo Moras - paolo.moras@ism.cnr.it

Laboratorio: Elettra

Sede di Trieste

La linea di luce VUV-Photoemission presso il sincrotrone Elettra (Trieste) è dedicata allo studio della struttura elettronica e magnetica di sistemi solidi tramite spettroscopia di fotoemissione. La banda di valenza, la superficie di Fermi e i livelli di core di questi sistemi, che ne definiscono le proprietà chimiche, elettroniche, ottiche e di trasporto, possono essere analizzati in dettaglio grazie alla combinazione unica tra alta brillanza e tunabilità della luce di sincrotrone e l’alta risoluzione energetica ed angolare garantita dall’analizzatore di elettroni Scienta R4000. I campioni possono essere studiati entro un ampio range di temperature e in diverse geometrie di misura, grazie ad un manipolatore criogenico a circuito chiuso con 5 gradi di libertà. L’acquisizione dati è automatizzata ed utilizza un software adatto alle esigenze della comunità di utenti. La preparazione e la caratterizzazione strutturale dei campioni possono avvenire in-situ in condizioni di ultra-alto vuoto tramite sputtering, riscaldamento, raffreddamento, deposizione epitassiale di materiali, esposizione a gas e diffrazione di elettroni a bassa energia.

Ulteriori informazioni: http://www.elettra.eu/elettra-beamlines/vuv.html

SPECIFICHE TECNICHE

Linea di luce

Energia del fotone: 20-750 eV.
Potere risolutivo: 20000 a 65 eV, 14000 a 400 eV.
Polarizzazione della luce: orizzontale.
Camera di misura
Pressione base: 5 × 10^-11 mbar.
Temperatura campione: 9 - 450 K.
Gradi di libertà del manipolatore: 5.
Risoluzione energetica e angolare dello spettrometro per elettroni: 2 meV (a 5 eV pass energy) e 0.1°.

Camera di misura

Pressione base: 5 × 10-11 mbar.
Temperatura campione: 9 - 450 K.
Gradi di libertà del manipolatore: 5.
Risoluzione energetica e angolare dello spettrometro per elettroni: 2 meV (a 5 eV pass energy) e 0.1°.

Camera di preparazione

Pressione base: 1 × 10^-10 mbar (fino a 10-6 mbar durante l’esposizione controllata a gas puri).
Temperatura campione: 77 - 1000 K (raffreddamento ad azoto liquido e riscaldamento per bombardamento elettronico).
Gradi di libertà del manipolatore: 5.

Camera di riscaldamento

Pressione base: 5 × 10^-9 mbar (fino a 10^-3 mbar durante l’esposizione controllata a gas puri).
Temperatura campione: 300 - 2000 K (riscaldamento per bombardamento elettronico).
Parcheggio per campioni.
Bobina di magnetizzazione.

TECNICHE DISPONIBILI

Camera di misura

Spettroscopia di fotoemissione ad alta risoluzione energetica e angolare (ARPES) per la mappatura della banda di valenza e della superficie di Fermi.
Spettroscopia di fotoemissione ad alta risoluzione energetica su livelli di core tramite raggi X (XPS).
Diffrazione di fotoelettroni con raggi X (XPD).
Spettroscopia di assorbimento nei raggi X (XAS).
Analisi dei gas residui (RGA).

Camera di preparazione

Diffrazione di elettroni a bassa energia (LEED).
Deposizione epitassiale di materiali (MBE) controllata tramite microbilancia al quarzo.
Sputtering ionico.
Analisi dei gas residui (RGA).

Camera di riscaldamento

Crescita per reazione di gas sulle superfici (CVD).

CAMPIONI

I campioni devono avere un a conducibilità elettrica sufficiente a evitare fenomeni di caricamento.
Metalli, semiconduttori a bassa energia di gap e isolanti in forma di film ultra-sottili sono materiali adatti per l’analisi tramite spettroscopia di fotoemissione.
Dimensioni laterali: da 2×2 a 10×10 mm².
Spessore: fino a 2 mm.

UTILIZZATO PER

Analisi della struttura elettronica e magnetica di:

materiali 2D (per esempio grafene, silicene, antimonene);
materiali topologici (isolanti topologici, semi-metalli di Weyl);
sistemi di bassa dimensionalità con alto accoppiamento spin-orbitale e/o magnetici;
strati molecolari auto-assemblati.

ESEMPI APPLICATIVI

Indirect chiral magnetic exchange through Dzyaloshinskii–Moriya-enhanced RKKY interactions in manganese oxide chains on Ir(100)

Le catene di ossido di manganese cresciute su Ir(100) presentato una struttura magnetica non-collineare a spirale identificata tramite microscopia a effetto tunnel polarizzata in spin e riprodotta dalla teoria. L’analisi ARPES mostra l’influenza sugli stati elettronici 3d del Mn dell’ordinamento anti-ferromagnetico lungo le catene, dove gli atomi di Mn si trovano in contatto diretto.

Si veda: M. Schmitt et al., Nat. Commun. 10, 2610 (2019)

Electronic States of Silicene Allotropes on Ag(111)

Il silicene è un materiale con struttura a nido d’ape, simile al grafene, costituito da un solo strato di atomi di silicio. Diversi allotropi del silicene possono essere sintetizzati su Ag(111). L’analisi ARPES mostra che queste forme allotropiche presentano bande di tipo σ, mentre le bande di tipo π attese in prossimità del livello di Fermi sono completamente de-localizzate nel substrato di Ag. Questa ibridizzazione non permette la formazione di coni di Dirac, al contrario di quanto previsto nel caso del silicene free-standing.

Si veda: P.M. Sheverdyaeva et al., ACS Nano 11, 975 (2017).

Spettroscopia di assorbimento di raggi X (XAS)

La X-Ray Absorbtion Spectroscopy (XAS) è l'estensione della spettroscopia ottica nella gamma di lunghezze d'onda dei raggi X. La gamma di energia dei raggi X corrisponde all'eccitazione dei livelli profondi; a causa del carattere localizzato della funzione d'onda elettronica del livello profondo, l'informazione spettroscopica viene proiettata sull'atomo assorbente. Inoltre, considerando una rappresentazione a particella singola, poiché il livello del nucleo ha una definizione netta in energia e momento angolare, la XAS è proporzionale alla densità degli stati vuoti proiettata sull'atomo assorbente e sul momento angolare l=±1, dove l è il momento angolare del livello profondo. Quando questa immagine non è più valida, cioè sono presenti effetti di correlazione elettronica, l'interpretazione degli spettri è più vicina ai multipletti di tipo atomico.
Il vantaggio principale della XAS rispetto all'assorbimento ottico è la sensibilità chimica tramite eccitazione a livello profondo. L'assorbimento dei raggi X soffici è particolarmente adatto per la soglia C 1s, le soglie L_2,3 dei metalli di transizione e quelle M_4,5 di terre rare.
XAS mostra una grande flessibilità di configurazioni sperimentali: può essere eseguito in trasmissione, raccolta totale e parziale di elettroni, fluorescenza. Per i raggi X soffici il canale di diseccitazione elettronica è più efficiente della modalità di fluorescenza.
Inoltre, la direzione della polarizzazione lineare della radiazione a raggi X rispetto al campione può dare origine a cambiamenti negli spettri mediante regole di selezione relative all'elemento di matrice di dipolo. Questa dipendenza è sensibile all'anisotropia della carica e dello spin.

XAS@GasPhase XAS@VUV XAS@CiPo

Spettroscopia di fluorescenza indotta da fotoni (PIFS)

PIFS è una tecnica photon in - photon out, che sfrutta l'analisi dei caratteristici fotoni "secondari" (o di fluorescenza) emessi da un materiale illuminato dai raggi X.
Questa tecnica è disponibile sulla linea di luce GasPhase in due diverse varianti utilizzando la sorgente di radiazione di sincrotrone di Elettra (Trieste, I), che offre luce brillante, coerente, accordabile e monocromatica.
- Spettroscopia di emissione di raggi X (XES)
Grazie alla sua sensibilità atomica la XES è uno strumento analitico molto potente. Fornisce sia indicazioni elementali, che sul sito specifico d'assorbimento del fotone primario; è inoltre estremamente utile nello studio della struttura elettronica delle molecole. La posizione delle linee di emissione riflette piccoli cambiamenti nei livelli elettronici occupati, mentre l'intensità dell'emissione in funzione dell'energia del fotone incidente ne fornisce sugli orbitali molecolari non occupati.
- Spettroscopia di fluorescenza Vis-UV
L'analisi della fluorescenza vis-UV consente di identificare i frammenti molecolari e atomici prodotti dalla dinamica di rilassamento delle eccitazioni primarie di guscio interno. Permette in questo modo distinguere tra diversi meccanismi di rilassamento e ottenere preziose informazioni sulla natura delle eccitazioni di guscio interno.

PIFS

Tecnica di coincidenza fotoelettrone-fotoione (PEPICO)

In questa tecnica fissata l’energia del fotone incidente, hv, attraverso la rivelazione del fotoelettrone si seleziona un ben preciso stato ionico del sistema da studiare. Quindi la rivelazione in coincidenza di questo elettrone con lo spettro di ioni prodotto permette di realizzare un’esperimento di spettrometria di massa selezionato in energia. Ripetendo l’esperimento a varie energie di fotone si ottengono le probabilità di frammentazione per i diversi canali in funzione dell’energia interna dello ione E=hv-Ip, dove Ip è l’energia di ionizzazione del sistema.

PEPICO

Tecnica di coincidenza fotoelettrone-fotoelettrone (PEPECO)

La tecnica più consona per studiare sia la doppia ionizzazione diretta che quella generata attraverso la formazione di una lacuna di core e il suo decadimento non radiativo con l’emissione di un elettrone Auger consiste nella rivelazione in coincidenza di due elettroni risolti sia in energia che in angolo. Questi processi sono caratterizzati da sezioni d’urto molto basse, pertanto un approccio di tipo multicanale in energia e/o angolo è imperativo. A tal fine presso la linea Gasphase è stata realizzata una stazione sperimentale equipaggiata con dieci analizzatori emisferici di elettroni che permette la rilevazione simultanea di 21 coppie di elettroni.

PEPECO

VUV