光電子分光

光電子分光法 (Photoemission Spectroscopy)

光電子分光法は、物質に光を照射し、光電効果によって放出される電子（光電子）のエネルギーを分析することで、その物質の電子状態を詳細に調べる表面分析技術です。主に金属や半導体材料の分析に用いられます。絶縁体の測定は、チャージアップ現象により困難な場合があります。

原理

物質に一定のエネルギーを持つ電磁波（光子）を照射すると、物質中の電子が光エネルギーを吸収し、表面から放出されます。この現象を光電効果と呼びます。放出された光電子の運動エネルギーを測定することで、物質中の電子の結合エネルギーや電子状態密度に関する情報を得ることができます。

分類

光電子分光法は、使用する電磁波の種類によっていくつかの種類に分類されます。

X線光電子分光 (XPS): X線を使用します。物質の構成元素の特定や、化学結合状態の分析に用いられます。
紫外光電子分光 (UPS): 紫外線を使用します。価電子帯の電子状態密度を調べることができます。
角度分解型光電子分光 (ARPES): 光電子の放出角度を測定することで、電子の運動量情報を取得します。これにより、物質のバンド構造を直接測定することが可能です。近年では、エネルギー分解能150μeV、角度分解能0.1°という高精度での測定が実現しています。

装置

光電子分光装置は、励起光源、エネルギー分析器、検出器、真空システムなどで構成されます。

励起光源: ヘリウムランプ（21.2 eV）やX線管が一般的ですが、SPring-8などのシンクロトロン放射光施設からの軟X線や硬X線、真空紫外レーザーも用いられます。シンクロトロン放射光はエネルギー可変であり、より詳細な分析が可能です。
エネルギー分析器: 放出された光電子のエネルギーを分析します。VG Scienta社のScientaシリーズが、高分解能であるため広く利用されています。他にも、MB Scientific社や、奈良先端科学技術大学院大学の大門寛が開発した2次元光電子分光器(DIANA)などがあります。
真空システム: 試料表面の汚染を防ぐため、超高真空 (10^-8 Pa程度) の環境が必要です。光電子分光は表面に非常に敏感な分析手法であるため、試料表面の清浄化が重要です。

試料表面の清浄化には、イオンスパッタリングやエレクトリックボンバードメント、へき開などの方法が用いられます。清浄化された表面は、低速電子回折 (LEED) や反射高速電子線回折 (RHEED) などで評価されます。

角度分解光電子分光 (ARPES)

ARPESは、物質のバンド構造を直接測定する強力な手法です。光電効果により放出される光電子の放出角度と運動エネルギーを測定することで、物質内部での電子の波数と束縛エネルギーの関係を知ることができます。超伝導や電荷密度波など、物性物理学における重要な現象の研究に利用されています。

関連項目

放射光
物性物理学
分光学
超高真空
逆光電子分光法
紫外光電子分光法
* X線光電子分光

光電子分光法は、固体物理学、材料科学、化学など、幅広い分野で利用されており、物質の電子状態に関する深い理解をもたらす不可欠なツールとなっています。特に表面の電子状態を解析する上で非常に有効な手段です。

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