[論文レビュー] Development of a versatile micro-focused angle-resolved photoemission spectroscopy system with Kirkpatrick-Baez mirror optics

Miho Kitamura, S. Souma+12 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2022

Topological Materials and Phenomena参考文献 39被引用数 53

ひとこと要約

本論文は、KEKのフォトンファクトリーで、キリングスワース＝ベイズ（K-B）ミラー光学を用いた多目的なマイクロ焦点角分解光電子分光法（micro-ARPES）システムを提案する。モノリシックに一体化された2つの高精度楕円形ミラーと5軸モーションステージを組み合わせ、サンプル-ミラー距離を400 mmまで短縮することで、10 µm（水平）×12 µm（垂直）のビームスポットサイズを達成し、電子バンド構造の高分解能空間マッピングを可能にした。主な貢献は、Bi2Se3トポロジカル絶縁体の端縁部における微小な結晶曲げに起因するわずかなバンド異常を検出したことであり、局所的電子的不均一性を解像する本システムの能力を示している。

ABSTRACT

Angle-resolved photoemission spectroscopy using a micro-focused beam spot (micro-ARPES) is becoming a powerful tool to elucidate key electronic states of exotic quantum materials. We have developed a versatile micro-ARPES system based on synchrotron radiation beam focused with a Kirkpatrick-Baez mirror optics. The mirrors are monolithically installed on a stage, which is driven with five-axes motion, and are vibrationally separated from the ARPES measurement system. Spatial mapping of the Auphotolithography pattern on Si signifies the beam spot size of 10 $\mu$m (horizontal) x 12 $\mu$m (vertical) at the sample position, which is well suited to resolve the fine structure in local electronic states. Utilization of the micro beam and the high precision sample motion system enables the accurate spatially resolved band-structure mapping, as demonstrated by the observation of a small band anomaly associated with tiny sample bending near the edge of a cleaved topological insulator single crystal.

研究の動機と目的

• 量子材料の局所的電子構造をマッピング可能な高空間分解能マイクロ-ARPESシステムの開発を目的とする。
• 一般的に50×50 µm²程度の大きなビームスポットと長いサンプル-ミラー距離を有する従来のマイクロ-ARPESシステムの限界を克服することを目的とする。
• 機械的ひずみや表面の曲がりによって引き起こされるような、標準的なARPESでは検出できない微小な電子的調調を検出可能とする。
• ARPES装置に直接隣接して設置可能なコンactで振動に強く抑制されたK-Bミラー光学系を統合し、ビーム安定性およびスポットサイズ制御を向上させることを目的とする。

提案手法

• 本システムは、水平方向および垂直方向のビーム焦点を独立して制御可能な、キリングスワース＝ベイズ（K-B）ミラー光学構成を採用している。
• ミラーは、1 µrad未満のRMS斜面誤差と0.2 nm未満のRMS表面粗さを有することで、高精度な光学性能を実現している。
• K-Bミラーステージは、正確なビームアライメントとサンプル位置決めを可能にする5軸モーションシステム（x, y, z, θz, θx）に搭載されている。
• ビームラインには可変角度のモンク＝ギリエソンモニタラが用いられ、60〜200 eVの可変光子エネルギーを15.5 m〜32.0 mの光路長で供給する。
• ビーム発散を最小限に抑えるために、サンプル-ミラー距離を400 mmに短縮している。
• 60 eVおよび200 eVでのスポットサイズ測定により、広い光子エネルギー範囲にわたり高い光子フラックスと空間分解能が維持されていることが確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コンactなK-Bミラー光学系は、サンプル位置で20 µm未満のビーム焦点を実現しつつ、高い光子フラックスと安定性を維持できるか？
• RQ2 ビームスポットサイズは光子エネルギーに依存するか？また、通常のARPESエネルギー範囲において色収差が空間分解能に影響を与えるか？
• RQ3 ナノスケールのサンプル歪み（例えば、結晶端縁部の曲がり）によって引き起こされる局所的電子バンド構造の変調を、本システムは解像できるか？
• RQ4 高精度なサンプル移動システムは、電子状態の空間マッピング精度をどの程度向上させるか？
• RQ5 従来のマイクロ-ARPESでは大きなビームスポットのため検出できない、トポロジカル絶縁体における微小なバンド異常を、本システムは検出可能か？

主な発見

• マイクロ-ARPESシステムは、サンプル-ミラー距離が400 mmであるにもかかわらず、サンプル位置で10 µm（水平）×12 µm（垂直）のビームスポットサイズを達成した。
• 60 eVおよび200 eVでのスポットサイズが同一であり、色収差の影響は測定不能なほど小さく、光子エネルギーに依存しない安定なスポットサイズを維持した。
• フォトレジストパターン上でのAu 4f7/2ピークの空間分布マッピングに成功し、20 µm未満の空間分解能を実証した。
• Bi2Se3結晶の端縁部付近で、点Aから点Dにかけて価電子帯の頂上が正のq方向（高い動量）に系統的シフトしていることが観測され、局所的バンド構造の変調を示した。
• このバンドシフトは、クリーブ端縁部近傍で数度程度の微小な結晶曲げに起因するとされ、高空間分解能により解像可能であり、従来のARPESでは検出できない。
• 本システムは、局所的電子的不均一性を示すレアな量子材料の正確で高統計的空間分解能バンド構造マッピングを可能にした。