放射光第 7 巻第 4 号( 1 994年)

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実験技術J・・・e・・@・・・・・・・・・・・・・・・・・・・@・・・・・・
高分解能光電子分光
横谷尚 睦，高橋隆
東北大学理学部

High‑ResolutionPhotoemissionSpectroscopy

TakayoshiYOKOYAandTakashiTAKAHASHI
De
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cs.TohokuUniversity

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f6meV.

••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••1.はじめに上昇したことになる。

光電子分光のエネルギ一分解能向上は現在急速

利高では， 東北大学に建設を進めてきた低温 ・高な勢いで進展している。数年前までの固体光電子エネルギー分解能光電子分光装置の概要と ， 高エ分光のエネルギ一分解能は，ネルギ一分解能化のための技術について解説する。

O. ト leV であった。

それは，価屯子帯の構造やコアレベル形状を議論

そしてどのような成果が上がっているのかを ，することはできても，物質の基本的性質を支配すの測定例をあ げて説明する。最後に ， 外国におけるフェルミ準仲.近傍の詳細な電子状態を調べる事

るこの種の装置の現状について示す意味で，筆者は難しかった。しかし酸化物高嵐超伝導体の研らが最近実験を行った米国ウィスコンシン政射光究を契機として事態は一変した。超伝導機構解明

実験施設の超高エネルギー分解能ビ ー ムラインとのため，超伝導ギャップの直接観測の必要性から

低温 ・ 超高エネルギ ー 分解能角度分解光屯子分光高エネルギー分解能化の要請が一気に高まった。

装置についても紹介する。

そエネルギー分解能はここ数年飛躍的に上昇して，現在ではエネルギー分解能 1 0meV を切る所まで来ている。ほんの数年間で分解能がー桁から 二桁も‑57‑(C) 1994 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research

346

放射光第 7 巻第 4 号

2. 低温@高エネルギ一分解能光電子分光装(1994年)スである。真空槽全体は地磁気の影響を防ぐた置(東北大学)の概要
Fig.l に，我々が東北大学において建設を進めてめ，2 重のミューメタルで磁気遮蔽されている。

また，ピ、ューポート等の内部ミューメタル遮蔽がきた低温・高エネルギー分解能光電子分光装置の使えない部分は，真空槽外部からミューメタルの概略図を示す。装置は大きく 2 つの部分より成る。

カバー(キャップ)を被せている。試料は，一つは，半径 150mm の静電半球型電子エネルギ一タ一同時使用により 20K から 500K までの温度コ分析器(アナライザー)で，電子検出器はシングントロールが可能である。

ヒールチャンネルトロンを用いている。他の一つはそ

元来，本装置は角度積分型として設計したものの下に位置する測定室である。この二つの真空槽であったが，スリットを絞り角度分解能を上げるは，4 段の電子レンズを納めた真空パイプで接続ことにより角度分解測定を可能としている。アナしている。測定安には光電子励起用の希ガス放電ライザーが国定されているため，試料に対しそれ管，試料をマウントする He 循環型クライオスタッを回転させる従来の角度分解測定はできない。そト，蒸着源，試料研磨用のダイヤモンドヤスリ等のため角度分解測定は，電子エネルギ一分析器に500Qjsec および 50Q jsec の 2

対し試料自体を回転させることにより逮成される。

台の直列連結ターボ分子ポンプと，クライオポン

角度分解そードでは，携関により得た単結晶試料プとして用いている別個の He循環型クライオスタ

清浄表面または蒸着により得た単結晶試料に対しットで排気しており，到達真空度約 3 x lO‑IITorrて角度分解測定ができる。一方，角度積分モードを達成している。分析槽とこのクライオポンプをを用いると，ヤスリがけで清浄表面を得た単結品

連結している配管は，分析槽排気のためのバイパ及び多結晶試料，または蒸着により得た多結品試がある。真空槽は，料に対して角度積分測定ができる。

以下，高エネルギー分解能化のために必要なこと，またその際どのような問題に良くぶつかるかといったことについて述べる。

3. 高エネルギ一分解能化技術
光電子分光装置のエネルギー分解能は光源の自然幅，アナライザーのエネルギー分解能，電源のふらつき等で決定される。実験室系で主に用いられる光源 He I(2 1. 2eV) ,He1(40.8eV) はその自然、幅がそれぞれ約 3meV ，17meV である。したがって He I では高エネルギー分解能測定が可能である。放射光の場合，これまで一般に光の強度は大きいものの，そのエネルギー幅が大きく高エネ
ルギ一分解能測定には向かなかった。しかしこれはモノクロメータの改善で克服できる。
アナライザーのエネルギ一分解能は，エネルFig.
1 Schematic diagram ofa low temperaturehigh‑energy‑resolutionphotoemissio
nspec胆trometerconstructedatTohokuUniv
ersity.

ギ一分解能，パスエネルギー，スリットの幅，アナライザーの平均半径をそれぞれ，ム E(eV) ,‑58‑E

放射光第 7 巻第 4 号(1994年)(eV) , w(mm) , R(mm) とすると

347
は，装置のアースの取り方や外部ライン (100V)との接続方法で改善されることがわかってきた。
ム E =.
Ew/2R

さらに外部ライン自体のわずかなノイズにより，測定スペクトルにばらつきが入ることが判明した。
で表される。本装置では R=150mm なので E

これらの対策として，測定系のすべての電源を外=leV , w 口 lmm ，とするとム E=3.3meV となる。

部ラインと切り放し，さらに，各電源，測定系お式からわかるように，R を大きくするとアナライ

よび、装置のアースを試行錯誤で最適条件に合わせザーのエネルギー分解能はそれに比例して向上すである。今後さらに高エネルギー分解能を狙うたる。エネルギー分解能の向上と光電子強度はほぼめには，電源系自体の抜本的な改良が必要であろ反比例の関係にあるので，放電管強度の向上にようと考えている。

る放出光電子強度の向上が必要である。地磁気の電子レンズの焦点と試料位置，励起光のスポッ影響による放出光電子軌道の変化を低減することト位置の調整も重要である。これは高エネルギーにより，光電子の収量を多くすることも重要であ分解能だけでなく高強度にも結び、つくからである。

る。またフェルミ準位付近の状態密度はフェルミ

これと関係して，試料上のスポットを絞るため，ーデ、ィラック関数の影響をうけ 3-5kT 程度 (T :温放電管のキャゼラリーを長くした。現在のところ度)の幅でブロードになるため，試料温度を下げ試料上のスポットサイズは約 lmm である。この改ることが不可欠である。しかし試料温度の低下

良は角度分解モードにおいて角度分解能向上にもにより残留ガスの表面吸着が増加するため，試料効果をあげている。

試料の劣化も測定には重要な問題である。試料槽の真空度を向上させなければならない。

以上のことを考慮して，次の基本理念に基づいマニピュレータ自身は一種のクライオポンプになて本装置を設計した。 (1)高エネルギー分解能を得っており，試料表面への残留ガスの吸着は免れなるため，アナライザーの直径をできるだけ大きくい。これを改善するため同型の He 循環型クライオする。 (2)地磁気の影響を抑えるため，真空槽をミスタットを別個，測定室の対面部に直付けしてクューメタノレで遮蔽する。試料槽のポートを少なくライオポンプとし，残留ガスの排気を行っている。

するとともに，これにもミューメタルの蓋を被せクライオポンプとして使用しているクライオスタ

る。 (3)超高真空を得るために，ターボ分子ポンプットをフルパワーで運転し，試料をマウントしたを直列にニ段連結する。ターボ分子ポンプを用いクライオスタットはわずかに出力を溶とすなどのたのは，イオンポンプの漏洩磁場の影響を考慮し工夫を行っている。またアナライザーを収容してたためである。さらに試料槽の容量を小さくする。

いる大容量の分析槽に排気系がついていないた(4)高輝度のヘリウム放電管を用いる。 (5)冷凍機をめ，そこからの残留ガスが，電子レンズの入り口マニピュレーターに麗接連結することにより，試を通り試料表面を直撃する恐れがある。そのため料温度が十分下がるようにする。

分析槽にバイパスを取り付け，クライオポンプでしかしながらこれまでの経験から，分解能悪化排気するようにした。希ガス放電管から流入するの主原因は電源のふらつきなど“その他の要因"にHe ガス中の不純物が試料表面に吸着する事も考え大きく依存していることがわかってきた。電源のられる。本装置では，純度 6N の He ガスを使用

ふらつきを抑えるために，計測系の電源は，できし，これをソープションポンプに通して不純物をるだけリップルノイズの少ない高性能安定化電源除いてから用いている。また上で述べたキャピラを使用する必要がある。またこの電源のふらつき

リーの延長により測定中の真空度が改善された。

‑59‑

放射光348

第 7 巻第 4 号(19例年)

それに伴い不純物の流入も抑えられていると思わンドがフェルミ準位を切る位置で行った。これがれる。今後，差動排気系を強力にすることも必要

挿入図で示した A ，になると考えている。

X,その他気付いた点として，

B , C 点である。図より rry 方向では， T c の上下でスペクトルの立ちHe循環型クライオス

上がりの中点がフェルミ準位上にあり，超伝導ギタットをマニピュレータに直接連結している結ャップは殆ど開いていないことが分かる(ム --0-

果，試料が若干振動してしまう。しかしその振動2meV) 。一方それと 45 。傾いた Cu-o の結合方向

はマニピュレータの温度が低下するに従い減少すである F 悶方向では Tc 以下でスペクトルが大きくこれのエネルギー分解能への影変化し，大きな超伝導ギャッブ(ム，....__ 20meV) がる傾向にあるし，開いている事が分かる。この実験結果は，大きな響は観測されていない。

超伝導ギャップの異方性が存在すること，それが本装置を用いて測定した金のフェルミ準位近傍

2x … y2 の対称性と合致することを示している。の光電子スペクトルを Fig.2 に示す。測定温度は20K ，励起光は He 1 である。黒点が測定結果であり，実線は状態密度をステップ関数とし，それを5. 低温@超高エネルギ一分解能角度分解光

半値幅 15meV のガウス関数でコンボリューション電子分光装置(ウィスコンシン大)したときの結果である。これが測定点を良く再現最後に，現在世界最高の分解能を持つビ…ムラしていることから，本装置ではエネルギー分解能インと角度分解光電子分光装置について紹介する o

15meV を達成している事が分かる。つぎに本装置

Fig.4 に，我々がアルゴンヌ国立研究所との協同研を用いて得られた測定例を紹介する。

究で使用した低温・超高エネルギ一分解能角度分解光電子分光装置の概略図を示す。我々はこの装

4. 意i 系酸化物高温超伝導体の超伝導ギャ置を米国ウイスコンシンの放射光施設 S衣C の超高ッブ異方性の直接観察

エネルギー分解能ビームライン 4m ‑NIM(4meter

酸化物高温超伝導体の超伝導発現機構は超伝導ギャップの対称性と密接に関わっているので，超ωCOV一C訪日C一コ.告)の b一

伝導ギャップの対称性を実験的に決定することは超伝導機構の解明に重要な意味を持つ。 s 波の対称性の場合には電子間の引力の原因にはフォノンが関与し，dx 2 -/ 波の場合にはスピンが関与すると考えられている。一方ブワルアンゾーン中の各点、に分解して超伝導ギャップの大きさを見積もることができるのは，角度分解光電子分光のみであり超伝導ギャップの対称性決定に対して重要な実験手段となっている。 Fig.3 は本装置角度分解モードで，EFBindingEnergy(meV)40

Bi 系酸化物高温超伝導体単結品 (Tc=86 .4K) の超伝導ギャップの異方性を直接観測したものである(測定温度は常伝導状態が 100K ，超伝導状態が 25K ，エネルギー及び、角度分解能がそれぞれ 25meV ，02 )。実験は常伝導状態において

rx , ry , r 悶方向の角度分解測定により，バγ=20K20Fig.
2 Photoemissionspectrumo
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hev
icinityoft
heF
ermilev
elmeasuredat20K(dots).Thesolidline shows theresultofa numericalsimulation , whereastepfunctioni
sconvolutedby a Gaussian withthew
idth (FWHM) of15meV.

‑60‑放射光第 7 巻第 4349(1994 年)

NormallncidenceMonochromator) に連結するこ(この時ム E = 30meV) 。アンジュレータを取付けとにより，エネルギー分解能 6meV を達成した。

る計画も進行中であり，その場合フラックスは現

これまで放射光は，強度は高いものの光のエネ

在の 10 倍になるという。さらに，現在ウイスコン

ルギー幅が大きく高エネルギー分解能測定は困難

シン SRC において 2 本自の超高エネルギー分解能と考えられていた。しかし 4m

ど…ムラインを建設中である。その性能は筆者らNIM では，McPherson 型の直入射型モノク口メータを採用には不明であるが，現在のものに比べはるかに良し，高エネルギ一分解能，高ブラックスを実現しくなる事が期待される。分光系は，現在のものとている。性能は，使用エネルギー範聞が 4同様の直入射型であり，超高エネルギー分解能測50eV ，最小バンド、ノぐスが 0.1- 3meV , ブラックス定には，直入射型が最適である事を示している。

10が 41eV の光において 6 x 10 photons/sec である

Fig.4 の低温・超高エネルギー分解能角度分解光

電子分光装置は，E料槽からなる。試料槽は 2 重のミューメタルで遮B2i
Sr2CaCU20S• T=25K蔽されている。真空は 2 台のイオンポンプを用い。 γ=100Kて排気され 3 x 10- II Torr での測定が可能である。

-、(1) 1i喝・..

MAJOL

I

マニピュレータにはヘリウム循環型の冷凍機が取i付けられている。これには熱シールドもとりつけ~ ~\.，..，..，..'i..~8.;f...;~，内Vf1られている。ヒーターにより測定温度は 13K 以上o}rxコ￡コで可能である。一般に角度分解光電子分光装置でL岨何)12.i〉、L:》タ:iag:
ぷ式点~.9~~
的畠8~おア内均そ苧s郎g叫rO'

は，アナライザーを試料槽の内部に納める必要が匂~ぷあり，その直径を大きくすることが難しい。そのYQ-• ...

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150 100 50 EFBindingEnergy(meV)

DAupAmn0ふE--‑‑EAuaur

A・咽彊r r‘emFig.
3 High‑resolutionangle‑resolv
edphotoemissionspectraof a Bi2SraCu20s single crystal2C(Tc=86.
4K) inthevicinityofthe Fermi levelmeasured at 100K (normal state, shown bysuperconductingstate ,opencircles)and20K(solid circles). Photoemission spectr
a wererecordedatthethreepointsintheBrillouinzone(seetheinset, pointsA ，日， andC fortheX,M, and Y directions , respectively) ,wherea seriesofphotoemissionspectr
awithrespecttot
hepolarangeli
nnormalstat
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theFermi‑Ievelc
rossingo
fab
and.

Fig.
4 Schematic diagram ofa lo
w‑ temperature
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enter.

‑61‑

放射光第 7 巻第 4 号

350(1994年)

点をカバーするため，本装置においてはシングル中，および建設予定である。しかし，残念ながらチャンネルト口ンの代わりにマルチチャンネルプ稼働中の装置は，我々のものを含めて実験室系装レートを用い，パスエネルギーを小さくしても十置の 2 台にとどまっている。米国では，酸化物高分なカウント数が得られ，さらにエネルギー分解

温超伝導体研究の初期からその重要性が認識さ能向上を達成している。角度分解光電子分光装置

れ，いち早くその開発に着手していた。現在での光電子検出器としてマルチチャンネルプレート

は，本稿で紹介したような低温・超高エネルギーを用いる試みは他のグループでも行われており，分解能角度分解光電子分光装置が数カ所の放射光これからの超高エネルギー分解能装置には不可決実験施設において稼働中である。のものと思われる。

我が国においても放射光施設において超高エネルギ一分解能ビームラインの建設と低温・超高6.

まとめ

エネルギ一分解能光電子分光装置の建設が急務と東北大学において建設を進めてきた低温・高エ考えられる。本稿に説明した我々の高エネルギ…

ネルギー分解能光電子分光装置とその高エネル分解能光電子分光装置及びその実験技術が少しでギ一分解能化技術，測定例を紹介した。この実験も役に立てば幸いである。

手段は酸化物高温超伝導体にとどまらず，他の物質についても適用され多くの成功を収めている。

東北大学における低温・高エネルギー分解能光

我が国においても，高エネルギー分解能測定の電子分光装置の建設は，文部省科学研究費の援助重要性が認識され始め，現在数台の装置が建設の下に行なった。ここに感謝いたします。

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