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採 択 架 台 の 分 野 別 割 合回 折 ・ 顕 微13%光 学 ・ 材 料23%基 盤 開 発12%原 子 ・ 分 子52%原 子 ・ 分 子 分 野 の 研究 グループ 数 :12光 電 子 分 光 を 用 いているグループ 数 :11

光 電 子 分 光 の 原 理物 質 の 性 質外 殻 電 子 の 性 質物 質 中 の 電 子 の 束 縛エネルギー(IP)を 直 接観 測 できる 強 力 な 手 法K.E. = hν –IPhνK.E光 エネルギー電 子 の 運 動 エネルギー

光 電 子 分 光 スペクトルを解 釈 するための 近 似 則Koopmans の 定 理イオン 化 エネルギーIjは 軌 道 エネルギーεjの 絶 対 値 に 等 しいIj = ― εj1 軌 道 1バンド 則(1)スペクトルの 各 バンドは1 個 の 分 子 軌 道 のイオン 化 により 生 じる。(2) 光 源 エネルギーhνより 小 さい 結 合 エネルギーの 分 子軌 道 は 光 電 子 バンドと1:1で 対 応 する。

Koopmans の 定 理 が 成 り 立 たないときバンド 計 算 だけでは 説 明 できない 場 合(1) 電 子 相 関 によるサテライト2 電 子 励 起 (Shake up)スピン― 軌 道 相 互 作 用Jahn-Teller 効 果不 対 電 子 がある 分 子(2)プラズモンによるサテライト(3) 格 子 振 動 によるサテライト

• UPS (Ultra-violet Photoelectron spectroscopy Heランプ He(I)=21.2 eV、He(II)=40.8 eV シンクロトロン 放 射 光 ( 小 型 、 中 型 放 射 光 施 設 ) レーザー 高 調 波 EUV-FEL• XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) X 線 管 ( 特 性 X 線 )AlKα = 1253.6 eV, MgKα = 1486.6 eV シンクロトロン 放 射 光 ( 大 型 放 射 光 施 設 ) レーザープラズマ XFEL• レーザー 多 光 子 イオン 化 光 電 子 分 光 光 学 ( 紫 外 ・ 可 視 ・ 近 赤 外 )レーザー

光 電 子 励 起 光 のエネルギー可 視 光 線X 線軟 X 線硬 X 線赤 外 線紫 外 線真 空 紫 外 線1000 100 10 1 0.1 0.01 0.001光 の 波 長 (nm)1 10 100 1000 10 4 10 5 10 6光 のエネルギー (eV)UV-LaserEUV- He Ι, HeFELΙΙXFELAl Kα, Mg KαSynchrotron Radiation

光 イオン 化 (Photoionization)10 < hν < 50eVの 場 合紫 外 線 光 電 子 分 光 (UPS)価 電 子 帯 の 直 接 観 測1 直 接 イオン 化 (Direct Ionization)AB + hν → AB + +e -→ A + +B+e - ( 断 片 イオン 化 )2 自 動 イオン 化 (Autoionization, Pre-ionization)AB + hν → AB ** ( 共 鳴 励 起 , 超 励 起 状 態 )AB ** → AB + +e - (イオン 化 )→ A * +B( 前 期 解 離 )hν> 50eVの 場 合X 線 光 電 子 分 光 (XPS)内 殻 準 位 = 元 素 選 択 的Electron Spectroscopyfor chemical Analysis(ESCA)1 2 電 子 励 起He (1s) 2 + hν(60 - 70eV) → He ** (2s) 1 (np) 12 2 価 イオン 化AB + hν → AB 2+ + 2e - (2 電 子 放 出 )AB 2+ → A + + B + , A 2+ + B( 断 片 化 )3 内 殻 共 鳴 励 起AB + hν → AB ** ( 非 占 有 軌 道 への 励 起 )AB ** → AB + + e - Auger (Auger 過 程 )AB ** → AB + hν’( 蛍 光 X 線 放 出 過 程 )4 内 殻 イオン 化AB + hν → AB +* + e - coreAB +* → AB 2+ + e - Auger (Auger 過 程 )AB +* → AB + + hν’( 蛍 光 X 線 放 出 過 程 )

バルク 敏 感 性光 電 子 脱 出 深 度 のエネルギー 依 存 性 :ユニバーサルカーブUV-Laser:7 eVHe Ι: 21.2 eVHe ΙΙ: 40.8 eV軟 X 線 :500 ~ 2000 eV硬 X 線 :6000 ~ 8000 eV脱 出 深 度光光 電 子表 面バルク100101Escape Depth (A)10001 10 100 1000 10000Photoelectron Kinetic Energy (eV)

バルク 敏 感 性光 電 子 脱 出 深 度 のエネルギー 依 存 性 :ユニバーサルカーブEUV-FEL20~25eVXFEL1000~10000eV脱 出 深 度光光 電 子表 面バルク100101Escape Depth (A)10001 10 100 1000 10000Photoelectron Kinetic Energy (eV)

• 分 類• 静 電 型 半 球 型 平 行 平 板 型 円 筒 鏡 型• 磁 気 ボトル 型• 光 電 子 イメージング• コインシデンス・イメージング 分 光

静 電 半 球 型 電 子 分 光 装 置理 研高 田 恭 孝 より

磁 気 ボトル 型 電 子 分 光 装 置ソレノイドコイル 10G永 久 磁 石5000G検 出 器MCP1.5m全 立 体 角 にわたる 高 い 捕 集 効 率局 所 から 生 成 する 電 子 のみ 観 測長 い 飛 行 区 間空 間 電 荷 効 果 の 回 避バックグランドの 低 減高 分 解 能新 潟 大彦 坂 Gより

p y• 飛 行 時 間 型 質 量 分 析 器 (TOF-Mass)+ 位 置 敏 感 検 出 器 (PSD)p y運 動 量p z ∝ (t-t 0 )p x ∝ xp y ∝ y穂 坂 綱 一 ら, Jpn. J. App. Phys. 45, 1841 (2006).寺 本 高 啓 , 博 士 論 文 ( 東 京 大 学 , 2006/12). KEK・PF 柳 下 Gよりp x

理 研 ・ 京 大鈴 木 俊 法 Gより20

光 電 子 分 光 のまとめ光 電 子 分 光 法 は、物 質 の 性 質 (= 電 子 状 態 )を 調 べるために 強 力 な 手 法 である。波 長 領 域 を 変 えることで、 様 々な 物 性 を観 測 できる。電 子 分 光 装 置 は、 光 源 に 合 わせて 適 切 なものを 選 択 する 必 要 がある。

M. Nagasono, et. al, Phys. Rev. A 75, 051406(R) 2007.

光 電 子 スペクトルIntensiy (arb. units)1.00.80.60.40.22 PAr +Ar, 21.4 eV15000ショット 積 算Ar ++1 S1 D3 PBinding energy (eV)7060504030e -2 S3s -1 Ar ++1 P3P 3s-1 3p -11S1D3P3p -20.06 8 10 12 14 16Electron kinetic energy (eV)20e -Ar + 3p -12 P10Y. Hikosaka et. al. Phys. Rev. Lett. 105, 133001 (2010)

光 電 子 スペクトル( 光 エネルギー 分 解 )1S1D 3P0.10光 エネルギーに 依存 した 強 度21.421.321.2-0.100.050.00-0.05Intensity (arb. units)共 鳴 の 効 果Photon energy (eV)21.121.010111213141516Electron kinetic energy (eV)-0.15Y. Hikosaka et. al. Phys. Rev. Lett. 105, 133001 (2010)

まとめEUV-FELの 利 用 研 究 において、 種 々の 光 電 子 分光 法 が 利 用 されている。来 年 度 から 利 用 が 始 まるXFELにおいても、 光 電子 分 光 法 は 有 力 な 手 法 の1つになるポテンシャルを 持 っているXFEL 利 用 研 究 は 始 まったばかり!誰 もが 世 界 の 第 1 人 者 になれるチャンス!!