SPring-8, the large synchrotron radiation facility

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BL46XU 硬X線光電子分光装置

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INS-0000001475

硬X線光電子分光装置

 硬X線光電子分光法(Hard X-ray Photoemission Spectroscopy: HAXPES)は、従来の光電子分光法(Photoemission Spectroscopy: PES)よりも数倍深い分析深さを持ち、バルクの電子状態を非破壊で観測できる実験手法です。
  PESは、試料に光を照射したときに生じる光電子の運動エネルギー分布を計測することにより、物質内の電子状態を調べる手法です。また、内殻準位スペクトルに現れるピークシフト(化学シフト)から、価数状態等、構成元素の化学状態についての情報を得ることもできます。従来のPESでは、励起光として主に、He放電管やAlやMgなどを陽極に用いたX線管、あるいは軟X線のシンクロトロン放射光を用いていました。しかし、これら紫外光や軟X線を励起光として用いる従来のPESでは、励起光エネルギーが高くともせいぜい1.5 keV程度であり、生じる光電子の運動エネルギーはそれ以下になります。PESにおける分析深さは、光電子が固体内で散乱されずに移動できる距離(非弾性散乱平均自由行程)に依存しますが、1.5 keV以下の光電子エネルギーでは、その距離は数nm以下となり、得られる電子状態の情報も試料表面からその程度の深さまでに限られます。物質の物性を特徴づける試料内部(バルク)の電子状態を観測するには、従来法の分析深さでは必ずしも十分でないとされています。また、例えばデバイスにおける電極の下の電極/半導体界面はデバイス特性を決める重要な要素の一つですが、このような埋もれた界面の電子状態を非破壊で分析するのは、従来法では非常に困難です。スパッタリングで表面を除去しながらPESを測定することにより深さ方向の情報を得ることもできますが、スパッタリングの過程でしばしば試料が変質してしまうという問題があります。
 HAXPESでは、従来よりもエネルギーが高い、硬X線領域(6~15 keV程度)のX線を励起光として用います。そのため、生じる光電子の運動エネルギーが従来のPESに比べて数倍大きくなり、分析深さも数倍深くなります。HAXPESは、SPring-8に代表される第三世代放射光施設において高輝度なアンジュレータ光源が出現し、バンド幅の狭くかつ高フラックスな励起光が利用可能となったことと、分析器技術の進歩により高耐圧な電子エネルギー分析器が利用可能になったこととが相まって、近年実用的になった比較的新しい実験手法です。HAXPESを用いると、試料のバルクの電子状態の分析が非破壊で可能となります。また、電極下の埋もれた界面分析等にもHAXPESは威力を発揮します。
 BL46XUの第2ハッチには、Scienta Omicron製のR4000及びFOCUS製HV-CSA 300/15をそれぞれ光電子エネルギー分析器として備える、2台のHAXPES装置が設置されています。これらの装置により、分析深さ(非弾性自由行程)で数 nm~数十nm程度のバルク敏感な測定が可能です。試料表面に対する光電子の検出角度を変える事で分析深さを制御する深さ方向分析が可能で、試料表面からバルクにわたる電子状態を分析することができます。また、両装置とも、トランスファーベッセルを用いた大気非暴露試料導入が可能です。

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硬X線光電子分光装置

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