北京同步辐射光电子能谱实验站近期研究概况

随着北京同步辐射光电子能谱实验站持续稳定的开放运行，用户基于该实验站提供的光电子能谱各种实验模式开展了从金属表面界面电子结构到纳米材料、掺杂金属富勒烯以及磁电阻氧化物体系电子结构的研究工作。本文中选择部分具有代表性的实验结果进行介绍。

北京同步辐射光电子能谱实验站近期实验概况

随着北京同步辐射光电子能谱实验站持续稳定的开放运行,用户基于该实验站提供的光电子能谱各种实验模式开展了从金属表面界面电子结构到纳米材料、掺杂金属富勒烯以及磁电阻氧化物体系电子结构的研究工作。本文中选择部分具有代表性的实验进行介绍。

覆锇膜阴极表面同步辐射光电子谱研究

为何浸渍阴极表面覆一层高功函数的锇(Os)膜后发射能力可以显著增加?这是一个长期未搞清的重要问题。该文在对阴极进行发射性能测试和扫描电镜分析的基础上,利用同步辐射光电子谱装置,对覆钨(W)膜阴极和覆Os膜阴极表面的元素成分及化学状态进行了全面系统的研究。结果表明,覆Os膜阴极的电子发射能力是覆W膜阴极2.65倍;与覆W膜相比,覆Os膜使阴极表面的钡(Ba)原子和低结合能态的吸附氧(O)原子分别增加了40%和56%。进一步分析认为,Os膜具有易氧化及氧化物易分解的特性,这一特性决定了覆Os膜阴极在激活后可以获得更多的超额钡Ba+(a),并因此具备更高的电子发射能力。

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.

机器学习在光电子能谱中的应用及展望

光电子能谱是一项在物质科学中被广泛应用的表征技术.尤其是角分辨光电子能谱(ARPES),可以直接给出材料体系内电子的能量-动量色散关系和费米面结构,是研究多体相互作用和关联量子材料的利器.随着先进ARPES如时间分辨ARPES,Nano-ARPES等技术的不断发展,以及同步辐射装置的更新换代,将会产生越来越多的高通量实验数据.因此,探索准确、高效、同时能挖掘深层物理信息的数据处理方法变得愈发迫切.由于机器学习天然具有的自动化处理复杂高维数据能力,推动了包括ARPES在内的诸多领域的变革和技术创新.本文综述了机器学习在光电子能谱中的应用,包括对光谱数据进行降噪、进行电子结构分析、化学组成分析、以及结合理论计算获得的电子结构信息进行光谱预测.进一步,展望了更多机器学习算法在光电子能谱中的应用,最终有望形成更加自动化的数据采集、预处理系统以及数据分析的工作流,推动光电子能谱技术的发展,从而推进量子材料和凝聚态物理前沿研究.

Mg/硫化GaSb(100)界面的同步辐射光电子能谱研究

利用同步辐射光电子谱,研究了[NH_4]_2S_x处理GaSb(100)表面的成键特性和化学组成及室温下Mg淀积到钝化GaSb表面的界面反应和电子结构.结果发现,经过[NH_4]_2S_x处理的GaSb表面,Ca和Sb的氧化物消失,生成Ga和Sb薄层硫化物钝化层.钝化样品退火处理后,Sb_xS_y 硫化物不稳定,分解或进一步与衬底GaSb反应生成单质Sb和GaS成分.室温下,金属Mg淀积到该钝化表面,它与表面GaS成分发生置换反应,生成金属Ca偏析到外表面,而硫以化合态形式保留在界面,Mg淀积在[NH_4]_2S_x处理n-GaSb(100)表面肖特基势垒的形成,由SRPES方法首次测得为0.3eV.

304不锈钢氧离子溅射的同步辐射光电子能谱原位研究Ⅱ.氧元素的化学状态

利用同步辐射光电子能谱原位研究了经氧离子溅射后ＳＵＳ３０４不锈钢和纯金属铁、镍、铬表面氧的化学状态．氧离子溅射后，ＳＵＳ３０４不锈钢表面的氧全部以化合态形式存在；而在纯铁、镍、铬金属表面，只有部分氧与金属元素化合，另一部分氧以原子的形式镶嵌在金属晶格中．纯金属元素与氧的化学反应活性决定了金属中化合氧和溶解氧的比率．

K对InP（100）表面催化氧化反应的同步辐射光电子能谱研究

利用同步辐射光电子能谱研究了Ｋ对Ｐ型ＩｎＰ（１００）表面的催化氧化反应过程．对于Ｏ２／Ｋ／ＩｎＰ（１００）体系的Ｐ２ｐ、Ｉｎ４ｄ和价带光电子能谱研究可知，在氧吸附的过程中，Ｏ和Ｐ、Ｉｎ之间发生了化学反应，Ｏ更易于与Ｋ在吸附过程中与ＩｎＰ（１００）衬底之间的界面反应形成的Ｋ－Ｐ化合物中的Ｐ健合．碱金属Ｋ的存在并不直接和Ｏ发生作用，而是起到一种催化剂的作用，增加了电荷向氧传输的能力．使得Ｏ２的分解和吸附变得更加容易．在Ｉｎ４ｄ芯能谱中，Ｉｎ－Ｏ之间的反应并不是很明显，而在价带谱中则可以明显地看到Ｉｎ－Ｏ之间反应所形成的Ｉｎ氧化物的发射峰，因此对于研究由于碱金属引起的半导体表面的催化氧化过程，价带谱要比芯能级谱具有更丰富的信息和灵敏度．由于碱金属的存在增强了电荷向Ｏ的传输能力，使得在不大的氧暴露量下就可以形成ＩｎＰ的氧化物薄层，这对于器件技术无疑是很有意义的．

碳化硅表面锌的吸附及其热氧化的同步辐射光电子能谱研究

利用同步辐射光电子能谱(Synchrotronradiationphotoelectronspectroscopy,SRPES)和X射线光电子能谱(X-rayphotoelectronspectroscopy,XPS)技术,研究了金属Zn在6H-SiC表面的吸附和热氧化以及ZnO/SiC的界面形成过程。研究结果表明,在SiC表面沉积金属Zn的初始阶段,Zn可以夺取SiC衬底表面残留的氧并与之成键。随着Zn覆盖度的增加,表面具有金属特性。在2.0×10-4Pa的氧气氛中180℃温度退火下,覆盖的Zn会被部分氧化形成ZnO,还有部分Zn因其在真空中的低蒸发温度而逸出表面。在同样的氧气氛中600℃温度退火后,覆盖的金属Zn全部被氧化而生成ZnO。在氧气氛中退火时,衬底也会轻度氧化,从而导致在ZnO/SiC界面处存在一层很薄的Si的氧化层。根据得到的光电子能谱的实验结果,计算出ZnO/SiC异质结的价带偏移为1.1eV。

Mn／6H-SIC(0001)界面的同步辐射光电子能谱研究

本文利用同步辐射光电子能谱(SRPES)和X射线光电子能谱(XPS)对金属Mn在6H-SiC(0001)表面的生长模式和Mn/6H-SiC(0001)界面进行了研究。实验结果表明,常温下金属Mn在6H-SiC(0001)表面上表现为二维层状生长模式。随着金属Mn沉积膜厚的增加,样品表面金属性明显增强。沉积过程中,金属Mn并未与SiC衬底发生反应,界面间由于能带弯曲导致费米能级向下移动,并计算出肖特基势垒高度(SBH)大约为1.79eV。当沉积膜厚达到2nm后,样品于250℃退火导致金属Mn向衬底扩散,但未与衬底发生反应。样品于500℃退火后界面间形成Mn的硅化物。

浸渍钡钨阴极表面同步辐射光电子谱研究

为了解浸渍钡钨阴极表面各元素的化学状态,采用同步辐射光电子谱技术对激活前后的阴极表面进行了研究。结果表明,与激活前相比,经1150℃×90min高温激活后,阴极表面吸附层厚度减薄,吸附C完全消失,O含量明显升高,W含量增加1倍,Ba含量增加2倍。另外,阴极表面的O1s、W4f和Ba3d等的谱峰均向高结合能方向显著位移。分析认为,激活后的阴极表面分布的吸附氧,使W基体以及阴极表面的Ba均产生吸附氧化,Ba在阴极表面主要以吸附化合物Bam·On(m≤n)的形式存在。

同步辐射光电子能谱研究Au/CdZnTe的接触势垒

采用分子束外延的方法在理想清洁的CdZnTe表面蒸金,获得了Au/CdZnTe肖特基接触.采用同步辐射光电子能谱研究了Au与CdZnTe(110)和(111)A面的肖特基接触势垒.实验测得Au与CdZnTe(110)和(111)A面的接触势垒分别为0.738和0.566eV.运用金属感应隙态模型(MIGS)对实验结果进行了分析和解释.

利用同步辐射光电子能谱技术研究Pb_(1-x)Sr_xTe薄膜的能带移动及其组成异质结能带带阶

利用同步辐射光电子能谱技术研究了低Sr组分时Pb_(1-x)Sr_xTe薄膜能带的移动规律,并计算了Pb_(1-x)Sr_xTe/Pb Te异质结中导带帯阶所占比率.当不考虑应力时,该异质结界面导带带阶比率Qc=ΔEC/ΔEg=0.71.当考虑应力时,PbTe能带发生L能谷与O能谷的劈裂,其导带带阶比率分别为QLC=0.47和QOC=0.72.Pb_(1-x)Sr_xTe/Pb Te异质结界面具有类型Ⅰ的能带排列结构,这说明Pb_(1-x)Sr_xTe/PbTe型量子阱或量子点对电子与空穴都有较强的限制能力.该异质结能带帯阶的精确测量有利于该类三元系半导体异质结在中红外光电器件的研发和应用中发挥重要作用.

聚乙烯醇修饰Fe_3O_4纳米颗粒的制备表征及同步辐射X射线光电子能谱研究

采用水溶性高分子聚合物聚乙烯醇(PVA)对Fe_3O_4纳米颗粒表面进行功能化修饰,利用透射电镜(TEM)、紫外可见吸收光谱(UV-vis)、Zeta电位检测、电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)和热重分析(TGA),对包被前后Fe_3O_4的粒径、分散稳定性、PVA的包覆效率及纳米颗粒进入细胞的量进行了表征研究。通过同步辐射X射线光电子能谱技术(SRXPS)对修饰前后的Fe_3O_4表面的化学组分、表面原子的化学结构、化学键合情况进行了定性分析,给出了PVA与Fe_3O_4纳米颗粒作用的反应机理。结果表明,PVA修饰后的Fe_3O_4在溶液中稳定分散的时间大大延长,且进入细胞的量明显增多。SRXPS分析证明,PVA大分子链上的-OH功能团与纳米粒子表面富含的-OH功能团通过氢键的方式结合,形成稳定分散的PVA-Fe_3O_4,从而有利于其生物利用。

C60单晶价带色散的同步辐射光电子谱研究

测量了C60单晶（111）解理面法向发射的角分辨光电子谱。利用同步辐射光源研究了对应于分子轨道HOMO及HOMO－1的能带的色散关系。实验观察到HOMO和HOMO－1能带在Г－L方向存在明显的色散，最大色散分别为0.27eV和0.42eV色散曲线与理论电子结构基本符合。

Ni(110)上Gd薄膜氧化的同步辐射光电子能谱研究

用同步辐射软X射线光电子能谱和X射线光电子能谱(XPS)研究了室温下氧与原位生长于Ni(110)上的Gd薄膜及Gd-Ni复合薄膜的相互作用。氧在3.7 nm的Gd膜上有很高的初始粘附几率。Gd4f双峰中的高结合能峰随氧暴露量的增加逐渐衰减,在吸附了50L的氧并在高温(800K)退火后几乎彻底消失。0～50L的氧暴露量范围内O 1s XPS峰的结合能为529.6eV,来自晶格氧。Gd/Ni(110)轻微氧化再经高温退火而形成的复合薄膜表面上,氧的吸附引起Gd在表面的偏析和进一步氧化,并可检测到化学吸附的O^-和晶格氧两种氧物种。对氧化机理和表面氧物种的本质与衍变进行了讨论。

Rb3C60单晶薄膜的同步辐射光电子谱研究

在C60单晶(III)解理面上制各出Rb3C60单晶薄膜．得到了室温和150K温度时导带的光电子谱峰形，费米面附近的电子态密度随温度显著变化．甚至在室温时也能观察到导带有不少于6个子峰．

C60单晶电子结构的同步辐射光电子谱研究

测量了C60单晶[111]方向的同步辐射角分辨光电子谱。观察到HOMO能带和HOMO－1能带明显且有规律的色散。色散曲线与LDA理论结果符合得较好。

K3C60单晶膜的同步辐射光电子谱研究

在C60单晶（111）解理面上制备出厚度约30mm的K3C60单晶膜。利用同步辐射光源，在低温下（约150K）测量了样品法向发射的角分辨光电子谱。观察到K3C60导带和价带明显的色散。导带的光电子谱峰可清晰分辨出4个子峰，这些子峰的最大色散超过0.5eV，并且色散曲线与K3C60的一维无序晶体结构模型下的能带理论基本吻合，只是子带间隔差异较大。