(57)【要約】  本発明は画像型電子スピン分析器を提供する。前記画像型電子スピン分析器は、少なくとも散乱ターゲット、２Ｄ画像型電子検出器及び電子屈曲ユニットを含み、電子屈曲ユニットは、入射電子を収束させたのちに第１角度屈曲させ、最適な入射角で散乱ターゲットに収束入射させるとともに、散乱ターゲットにより散乱した出射電子を収束させたのちに第２角度屈曲させ、最適な出射角で２Ｄ画像型電子検出器へ収束出射させ、且つ、入射電子の運動軌道と出射電子の運動軌道が分離しており、第１角度と第２角度のうち少なくとも一方が０°ではない。これにより、電子スピン分析器の初期平面からターゲット平面への電子画像の一次２Ｄ画像化と、ターゲット平面から２Ｄ画像型電子検出器の平面への二次２Ｄ画像化をそれぞれ実現可能であるため、電子スピンのマルチチャネル測定が実現される。更には、電子屈曲ユニットを導入することで、スピン分析器の各ユニットの幾何学的配置の自由度を高められる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、散乱ターゲット、２Ｄ画像型電子検出器、電子屈曲ユニットを含み、
前記電子屈曲ユニットは、入射電子を収束させたのちに第１角度屈曲させ、最適な入射角で前記散乱ターゲットに収束入射させるとともに、前記散乱ターゲットにより散乱した出射電子を収束させたのちに第２角度屈曲させ、最適な出射角で前記２Ｄ画像型電子検出器へ収束出射させ、且つ、入射電子の運動軌道と出射電子の運動軌道が分離しており、第１角度と第２角度のうち少なくとも一方が０°ではないことを特徴とする画像型電子スピン分析器。
【請求項２】
前記電子屈曲ユニットは、収束された入射電子を第１角度屈曲させたのちに収束させ、前記散乱ターゲットに垂直に入射させるユニットであることを特徴とする請求項１に記載の画像型電子スピン分析器。
【請求項３】
前記第１角度は［０°，１８０°］の範囲内であることを特徴とする請求項１又は２に記載の画像型電子スピンの分析器。
【請求項４】
前記第１角度は１８０°又は９０°であることを特徴とする請求項３に記載の画像型電子スピン分析器。
【請求項５】
前記電子屈曲ユニットは、収束された出射電子を第２角度屈曲させたのちに収束させ、前記２Ｄ画像型電子検出器に垂直に到達させるユニットであることを特徴とする請求項１に記載の画像型電子スピン分析器。
【請求項６】
前記第２角度は［０°，１８０°］の範囲内であることを特徴とする請求項１又は５に記載の画像型電子スピン分析器。
【請求項７】
前記第２角度は１８０°又は９０°であることを特徴とする請求項６に記載の画像型電子スピン分析器。
【請求項８】
前記電子屈曲ユニットは、磁界を発生させる磁界発生ユニット及び電子レンズを含むことを特徴とする請求項１に記載の画像型電子スピン分析器。
【請求項９】
第１角度屈曲した入射電子を収束させる電子レンズと、出射電子を収束させたのちに再び第２角度屈曲させる電子レンズとが同一の電子レンズであることを特徴とする請求項８に記載の画像型電子スピン分析器。
【請求項１０】
前記磁界発生ユニットは、主２極磁石と、主２極磁石により発生した磁界の辺縁を修正するとともに、電子ビームを電子屈曲平面に垂直な方向に収束させる少なくとも１つの補正磁石を含むことを特徴とする請求項８に記載の画像型電子スピン分析器。
【請求項１１】
前記散乱ターゲットは、Ｆｅ（００１）−ｐ（１×１）０ターゲット又はＷ（１００）ターゲットを含むことを特徴とする請求項１に記載の画像型電子スピン分析器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電子スピン分析分野に関し、特に、画像型電子スピン分析器に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、電子スピンを測定するデバイスとしては、主にＭｏｔｔ検出器、Ｓｐｉｎ−ＬＥＥＤ検出器及びＶＬＥＥＤ検出器等がある。このうち、Ｍｏｔｔ検出器では、まず電子の運動エネルギーを２０〜１００ＫｅＶまで加速したのち、電子をスピン軌道相互作用の大きい高Ｚ元素ターゲットで散乱させ、散乱電子強度の非対称性を測定することで、入射電子のスピンを測定する方式をとっている。また、Ｓｐｉｎ−ＬＥＥＤ検出器は、Ｗ（１００）単結晶表面における電子の回折スポット強度の非対称性を測定することで、電子のスピンを測定するものである。そして、ＶＬＥＥＤ検出器は近年発展した新たな測定デバイスであり、まず電子の運動エネルギーを６ｅＶまで加速（減速）したのち、＋Ｚ及び−Ｚ方向に磁化したＦｅ（００１）−ｐ（１×１）０ターゲットにおける電子の反射率をそれぞれ測定し、これら両反射率の差を測定することで入射電子のＺ方向におけるスピンを測定する方式をとっている。ＶＬＥＥＤ検出器は、現在のところ測定効率が最も高い電子スピン分析器である。
【０００３】
例えば、図１は、従来のＶＬＥＥＤ検出器における電子スピンの測定原理を示す図である。初期電子平面１１のａ点における入射電子は、電子レンズ１２を経由して散乱ターゲット１３に入射する。そして、当該散乱ターゲット１３で散乱したのち、電子レンズ１４を経由して２Ｄ画像型電子検出器１５のＡ点に到達する。同様に、初期電子平面１１におけるｂ点の入射電子も、類似の経路を通って２Ｄ画像型電子検出器のＢ点に到達する。入射電子が散乱ターゲット１３に対し垂直に入射した場合、散乱ターゲット１３を経由して弾性散乱した出射電子もまた散乱ターゲット１３に対して垂直となる。しかし、このような場合、２Ｄ画像型電子検出器は当然ながら電子ビームの入射を阻んでしまうため、従来のＶＬＥＥＤスピン検出器では、入射電子を傾斜させて散乱ターゲット１３に到達させている。ＶＬＥＥＤの検出効率は、入射角（即ち、電子ビームと散乱ターゲットの法線間の夾角）が大きくなるほど低下する。よって、小さ目の入射角を選択せねばならないが、電子レンズ１２及び電子レンズ１４のサイズ等の要素を考慮すると、入射角を小さくしすぎることはできない。そこで、図１に示すように、通常は入射角を７°としている。入射角が０ではなく、入射電子軌道と出射電子軌道が異なることから、入射電子と出射電子に対しては同一の電子レンズを用いることはできない。このような幾何学的制限があるため、電子光学レンズ１２及び１４のサイズは小さ目とされ、結果として収差が大きくなってしまう。つまり、ａ点からの各入射電子が電子検出器上でＡ点を中心としたやや大きなビームスポットを形成し、同様に、ｂ点からの各入射電子が電子検出器上でＢ点を中心としたやや大きなビームスポットを形成してしまう。そして、ビームスポットが大きいことから、Ａ点を中心としたビームスポットと、Ｂ点を中心としたビームスポットが部分的に重なり合うことになる。そして、ビームスポットを区別できないため、従来のＶＬＥＥＤ検出器では、ビームスポットに基づいて入射電子の源位置を区別することができない。即ち、入射電子がａ点から出射されたのか、ｂ点から出射されたのかを区別できない。このように入射電子の源位置を区別できない検出器のことをシングルチャネルアナライザといい、ビームスポットに基づいて入射電子の源位置を区別可能な検出器のことを、マルチチャネルアナライザ又は画像型検出器という。現在使用されている電子スピン分析器のほとんどはシングルチャネルである。電子スピンの測定効率を上げるため、電子スピンのマルチチャネル測定を実現することが科学研究者・技術者のかねてからの関心事となっている。
【０００４】
近年のマルチチャネル電子スピン分析器に関する唯一の報告として、ドイツＫｉｒｓｃｈｎｅｒ研究チームにより作製されたＳｐｉｎ−ＬＥＥＤ画像型スピン分析器がある。当該分析器では、入射電子が４５°の角度でＷ（１００）ターゲットへ入射し、入射電子ビームと散乱電子ビームが９０°の夾角を形成する。入射電子によって当該Ｗ（１００）ターゲットの裏面に形成される仮想画像面及び電子検出器の平面は、いずれも電子光学軸に対し垂直であるため、電子光学系の収差は小さく、入射電子の源位置を区別することが可能となる。しかし、Ｓｐｉｎ−ＬＥＥＤ分析器による電子スピン測定はスピン軌道の相互作用に基づくものであり、その測定効率は、強相関相互作用に基づいたＶＬＥＥＤ分析器のわずか１０分の１にすぎない。また、Ｓｐｉｎ−ＬＥＥＤ分析器で用いられるＷ（１００）ターゲットは磁化不可能なため、試料を前後して逆方向に磁化するとともに、各磁化方向時における電子の反射強度をそれぞれ測定し、反射強度の差より、試料から発せられる電子のスピン偏極度を測定する必要がある。当該測定方式では試料を磁化せねばならないことから、強磁性の試料しか測定することができない。これに対し、スピン軌道の相互作用を持つ非磁性試料における電子スピン状態の研究が、凝縮系物理学では最前線となっている。したがって、他の原理に基づくマルチチャネル電子スピン分析器が早急に必要とされている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来技術における上述の欠点に鑑みて、本発明は電子スピンのマルチチャネル測定を実現するために、汎用的でより高効率の画像型電子スピン分析器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記の目的及びその他関連の目的を実現するために、本発明は、少なくとも散乱ターゲット、２Ｄ画像型電子検出器、及び電子屈曲ユニットを含み、前記電子屈曲ユニットが、入射電子を収束させたのちに第１角度屈曲させ、最適な入射角で前記散乱ターゲットに収束入射させるとともに、前記散乱ターゲットにより散乱した出射電子を収束させたのちに第２角度屈曲させ、最適な出射角で前記２Ｄ画像型電子検出器へ収束出射させ、且つ、入射電子の運動軌道と出射電子の運動軌道が分離しており、第１角度と第２角度のうち少なくとも一方が０°ではない画像型電子スピン分析器を提供する。
【０００７】
好ましくは、前記電子屈曲ユニットは、収束された出射電子を第２角度屈曲させたのちに収束させ、前記２Ｄ画像型電子検出器に垂直に到達させるユニットである。より好ましくは、前記第２角度は［０°，１８０°］の範囲内である。
【０００８】
好ましくは、前記電子屈曲ユニットは、収束された入射電子を第１角度屈曲させたのちに収束させ、前記散乱ターゲットに垂直に入射させるユニットである。より好ましくは、前記第１角度は［０°，１８０°］の範囲内である。
【０００９】
好ましくは、前記電子屈曲ユニットは、磁界を発生させる磁界発生ユニット及び電子レンズを含む。より好ましくは、第１角度屈曲した入射電子を収束させる電子レンズと、出射電子を収束させたのちに再び第２角度屈曲させる電子レンズとが同一の電子レンズである。前記磁界発生ユニットは、主２極磁石と、主２極磁石により発生した磁界の辺縁を修正するとともに、電子ビームを電子屈曲平面に垂直な方向に収束させる少なくとも１つの補正磁石を含む。
【００１０】
好ましくは、前記散乱ターゲットは、Ｆｅ（００１）−ｐ（１×１）０ターゲット又はＷ（１００）ターゲットを含む。
【発明の効果】
【００１１】
上述したように、本発明の画像型電子スピン分析器によれば、以下の有益な効果を得られる。電子軌道を屈曲させることにより、入射電子軌道と出射電子軌道の分離を実現できるため、電子レンズと電子検出器の幾何学的配置が困難であるという課題が解消され、電子レンズ系のサイズを大きくすることで、収差を小さくすることが可能となる。また、初期電子平面、ターゲット平面及び電子検出器平面をいずれも電子光学軸に対し垂直とできるため、真の２Ｄ画像化を確実に実現し、収差の減少、電子スピン測定のチャネル数増加が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、従来のＶＬＥＥＤ検出器における電子スピンの測定原理を示す図である。
【図２】図２は、本発明における好ましい画像型電子スピン分析器の電子運動軌道を示す図である。
【図３】図３は、本発明における他の好ましい画像型電子スピン分析器の電子運動軌道を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、特定の具体的実施例によって本発明の実施形態を説明する。なお、当業者であれば、本明細書に開示の内容から、本発明におけるその他の利点及び効果を容易に理解可能である。
【００１４】
ここで、図２〜図３を参照する。本明細書の図面に示した構造、比率、大きさ等は、いずれも当業者の理解及び閲読に資するべく、明細書に開示の内容に合わせたものにすぎず、本発明が実施可能な要件を限定する主旨ではない。したがって、図面には技術上の実質的意味はなく、構造の補足、比率関係の変更又は大きさの調整のいずれも、本発明が奏し得る効果及び達成し得る目的に影響しない限り、いずれも本発明が開示する技術内容の範囲内に包含される。また、本明細書で用いる「上」「下」「左」「右」「〜の間」及び「１つの」等の用語もまた記載を明瞭にするためのものにすぎず、本発明で実施可能な範囲を限定する主旨ではない。また、対応関係の変更又は調整は、実質的技術内容が変動しない限り、いずれも本発明で実施可能な範疇とみなされる。
【００１５】
本発明は画像型電子スピン分析器を提供する。前記画像型電子スピン分析器は少なくとも、散乱ターゲット、２Ｄ電子画像検出器、及び電子屈曲ユニットを含む。
【００１６】
前記散乱ターゲットは、電子を散乱させられるデバイスであって、Ｆｅ（００１）−ｐ（１×１）０ターゲット又はＷ（１００）ターゲット等を含むことが好ましいが、これに限らない。
【００１７】
前記２Ｄ画像型電子検出器は、散乱ターゲットによって散乱された出射電子の強度を記録可能なデバイスである。常用の２Ｄ画像型電子検出器は、マイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）、蛍光板及び高感度カメラから構成される。また、他の常用の２Ｄ画像型電子検出器は、マイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）及び遅延線検出器（ＤＬＤ）から構成される。
【００１８】
前記電子屈曲ユニットは、入射電子を収束させたのちに第１角度屈曲させ、最適な入射角で前記散乱ターゲットに収束入射させるとともに、前記散乱ターゲットにより散乱した出射電子を収束させたのちに第２角度屈曲させ、最適な出射角で前記２Ｄ画像型電子検出器へ収束出射させる。また、入射電子の運動軌道と出射電子の運動軌道は分離しており、第１角度と第２角度のうち少なくとも一方が０°ではない。
【００１９】
散乱ターゲットとしてＦｅ（００１）−ｐ（１×１）０ターゲットを用いる場合、最適な入射角及び最適な出射角はいずれも０°となる。即ち、入射電子ビームが収束して垂直にＦｅ（００１）−ｐ（１×１）０ターゲットに入射するとともに、出射電子ビームが第２角度屈曲し、電子レンズを経由して収束すると、垂直に２Ｄ画像型電子検出器へ到達する。即ち、このとき、電子ビームの中心線と２Ｄ画像型電子検出器の平面が垂直となる。
【００２０】
なお、第１角度と第２角度は、散乱ターゲット、２Ｄ画像型電子検出器及び初期電子平面の位置に基づいて決定される。好ましくは、第１角度と第２角度はいずれも［０°，１８０°］の範囲とされるが、双方が同時に０°となることはない。
【００２１】
好ましくは、前記電子屈曲ユニットには、磁界を発生させる磁界発生ユニット及び電子レンズが含まれる。
【００２２】
例えば、図２に示すように、電子屈曲ユニットは、磁界発生ユニット及び電子レンズ３１、電子レンズ３２、電子レンズ３３を含む。当該磁界発生ユニットは、主磁界領域６１を形成する主２極磁石と、主磁界領域６１の辺縁領域を修正するための補正磁石６２を含む。初期電子平面２は電子レンズ３１の焦点面に、散乱ターゲット４は電子レンズ３２の焦点面に、２Ｄ画像型電子検出器５は電子レンズ３３の焦点面に位置する。散乱ターゲット４、２Ｄ画像型電子検出器５及び初期電子平面２は、いずれも主磁界領域６１に対して同じ側に位置する。これにより、初期電子平面からの入射電子が電子レンズ３１を経由して磁界発生ユニットにより発生した磁界領域に入ると、当該磁界発生ユニットが入射電子を１８０°屈曲させ、電子レンズ３２を経由して散乱ターゲット４に垂直に入射させる。そして、散乱ターゲット４により散乱した出射電子が電子レンズ３２を経由して再び磁界発生ユニットにより発生した磁界領域に入ると、当該磁界発生ユニットが出射電子を再び１８０°屈曲させ、電子レンズ３３を経由して２Ｄ画像型電子検出器５に垂直に到達させる。
【００２３】
また、例えば図３に示すように、電子屈曲ユニットは、磁界発生ユニット及び電子レンズ３１’、電子レンズ３２’、電子レンズ３３’を含む。当該磁界発生ユニットは、主磁界領域６１’を形成するための主２極磁石と、主磁界領域６１’の辺縁領域６２’、６３’、６４’を修正するための３つの補正磁石を含む。初期電子平面２’は電子レンズ３１’の焦点面に、散乱ターゲット４’は電子レンズ３２’の焦点面に、２Ｄ画像型電子検出器５’は電子レンズ３３’の焦点面に位置し、散乱ターゲット４’、２Ｄ画像型電子検出器５’及び初期電子平面２’は、磁界発生ユニットにより形成される主磁界領域６１’に対して異なる側にそれぞれ位置する。これにより、初期電子平面２’からの入射電子が電子レンズ３１’を経由して磁界発生ユニットにより発生した磁界領域に入ると、当該磁界発生ユニットが入射電子を９０°屈曲させ、電子レンズ３２’を経由して散乱ターゲット４’に垂直に入射させる。そして、散乱ターゲット４’により散乱した出射電子が電子レンズ３２’を経由して再び磁界発生ユニットにより発生した磁界領域に入ると、当該磁界発生ユニットが出射電子を再び９０°屈曲させ、電子レンズ３３’を経由して２Ｄ画像型電子検出器５’に垂直に到達させる。
【００２４】
ここで、前記補正磁石は主２極磁石と連携して理想的な磁界分布を形成するだけでなく、電子ビームの収束に対する主２極磁石磁界の各異方性を除去することを可能とする。このほか、前記収束には無限遠に収束する場合が含まれる。
【００２５】
更に、当業者は、上記記載は例示にすぎず、本発明を制限する主旨ではないものと理解すべきである。実際に、入射電子ビームを第１角度屈曲させたのちに最適な入射角で散乱ターゲットに入射させ、散乱ターゲットで散乱した出射電子ビームを第２角度屈曲させたのちに最適な出射角で２Ｄ画像型電子検出器に到達させることが可能な電子屈曲ユニットであれば、いずれも本発明の範囲に包含される。
【００２６】
以下に、Ｆｅ（００１）−ｐ（１×１）０ターゲットを用いて本発明の画像型電子スピン分析器の動作過程について詳述する。
【００２７】
図２に示すように、まず、Ｆｅ（００１）−ｐ（１×１）０ターゲット４を任意の方向、例えば＋Ｚ方向に磁化させる。続いて、画像型電子スピン分析器の初期電子平面２における入射電子を電子レンズ３１を経由して電子屈曲ユニットにより形成された磁界領域に入射させる。そして、磁界作用下において、入射電子を上方へ１８０°屈曲させた後、電子レンズ３２を経由してＦｅ（００１）−ｐ（１×１）０ターゲット４に垂直に入射させ、Ｆｅ（００１）−ｐ（１×１）０ターゲット４上に２Ｄ画像化する。続いて、Ｆｅ（００１）−ｐ（１×１）０ターゲット４から弾性散乱した出射電子を、電子レンズ３２を経由して電子屈曲ユニットに入射させる。そして、電子屈曲ユニットの磁界作用下において、出射電子を上方へ１８０°屈曲させた後に、電子レンズ３３を経由して２Ｄ電子画像検出器５へ垂直に到達させると、２Ｄ画像型電子検出器５の入口面において再び２Ｄ画像化する。そして、前記２Ｄ電子画像検出器の高感度カメラが蛍光板上の２Ｄ電子強度画像を記録する。
【００２８】
続いて、Ｆｅ（００１）−ｐ（１×１）０ターゲット４を−Ｚ方向に磁化させて、蛍光板上の２Ｄ電子強度画像を再び記録する。
【００２９】
最後に、２度の測定で取得された２Ｄ電子強度画像における対応画素の電子強度の差が、初期電子平面の対応位置における入射電子のＺ方向のスピン偏極度に正比例することに基づき、初期電子平面上の各点における入射電子のスピン偏極度を測定可能である。
【００３０】
以上より、電子軌道の屈曲によって入射電子軌道と出射電子軌道の分離が実現されるだけでなく、初期電子平面、ターゲット平面及び２Ｄ画像型電子検出器の平面がいずれも光学軸に対し垂直であり、且つ、第１角度屈曲した入射電子を収束させる電子レンズと、出射電子を収束させたのちに再び第２角度屈曲させる電子レンズとが同一の電子レンズであることから、電子レンズのサイズを大きくすることができるため、光学系全体の収差を大幅に低下させることが可能となる。よって、初期電子平面の各地点からの入射電子が散乱したのちに、２Ｄ画像型電子検出器の平面に形成されるビームスポットが非常に小さくなるため、互いに重なり合うことがない。これにより、各ビームスポットと初期電子平面の対応箇所における入射電子とを対応付けることができる。即ち、入射電子の源位置を区別可能となるため、本発明の画像型電子スピン分析器によれば、電子スピンのマルチチャネル測定を実現できる。
【００３１】
前記記載に基づき、Ｆｅ（００１）−ｐ（１×１）０ターゲットを用いれば、ＶＬＥＥＤ型のマルチチャネル電子スピン分析器を構築することが可能である。また、Ｗターゲットを用いた場合には、Ｓｐｉｎ−ＬＥＥＤ型のマルチチャネル電子スピン分析器を構築することが可能である。
【００３２】
以上述べたように、本発明の画像型電子スピン分析器によれば、磁界によって電子を屈曲させることで、入射電子軌道と出射電子軌道の分離を実現可能である。また、入射電子を最適な入射角で散乱ターゲットに入射させ、出射電子を最適な出射角で２Ｄ画像型電子検出器に到達させることで、スピン検出器の初期平面からターゲット平面への電子画像の一次２Ｄ画像化と、ターゲット平面から２Ｄ画像型電子検出器の平面への二次２Ｄ画像化をそれぞれ実現可能であり、結果として電子スピンのマルチチャネル測定が実現される。これら２度の画像化過程では、物象平面がいずれも電子光学レンズ系の光軸に垂直なことから、真の２Ｄ画像化を確実に実現可能である。更に、電子屈曲ユニットを導入することで、スピン分析器の各ユニットの幾何学的配置の自由度を向上させられる。なお、ここで、真の２Ｄ画像化とは、収差を考慮しない一次画像化の画像平面とターゲット平面が完全に重なり合い、収差を考慮しない二次画像化の画像平面と２Ｄ電子画像検出器の平面が完全に重なり合うことをいう。
【００３３】
以上より、本発明は従来技術における種々の欠点を効果的に解消しており、産業上の利用価値を有している。
【００３４】
上記実施例は本発明の原理及び効果を例示的に説明するものにすぎず、本発明を制限する主旨ではない。当業者であれば、本発明の精神及び範疇から逸脱せずに、上記実施例を補足又は変更することが可能である。よって、当業者が本発明に開示される精神及び技術的思想を逸脱せずして行うあらゆる等価の補足或いは変更もまた本発明の特許請求の範囲に包含されるものとする。
【符号の説明】
【００３５】
１１    初期電子平面
１２、１４    電子レンズ
１３    散乱ターゲット
１５    ２Ｄ画像型電子検出器
２、２’    初期電子平面
３１、３２、３３    電子レンズ
４、４’    散乱ターゲット
５、５’    ２Ｄ画像型電子検出器
６１、６１’    主磁界領域
６２、６２’、６３’、６４’    辺縁領域
【図１】
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【図２】
2016531288.tif 000004
【図３】
2016531288.tif 000005
【国際調査報告】
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2016531288.tif 000007
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