BL09U

超高分辨宽能段光电子实验系统(简称梦之线)
科学目标
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  “梦之线”的科学目标是实现超宽能段覆盖(20-2000eV)和超高能量分辨(25meV@867eV),并将角分辨光电子能谱(ARPES)、光电子显微镜(PEEM)、共振非弹性X射线散射 (RIXS)三个实验站与光束线有机集成,创造一个绝佳的软X射线实验环境。 ARPES是唯一能直接获得倒易空间中费米能级附近价带电子的方向、速度和散射过程的实验手段,适用于研究强关联电子系统(超导、石墨烯等)、自旋电子学(拓扑绝缘体、反常量子霍尔效应以及磁性材料)、纳米结构及纳米材料等;PEEM能动态地对上述材料在实空间中呈现的结构进行高空间分辨解析,RIXS则能够用来测量材料的导带、价带及低能激发态的电子结构信息,如dd(或ff)电子跃迁、电荷转移和磁子声子等,研究电荷传输、磁性、超导性和电子-声子相互作用等现象 。

线站布局图
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线站指标
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实验站
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实验站 1 - ARPES  角分辨光电子能谱实验站(ARPES)
ARPES实验站配备了Scienta DA30L电子能量分析器、集成VLEED自旋探测器,通过Deflection采谱模式实现高效费米面测绘,尤其适用于小尺寸或表面不平整样品。样品姿态调节配备了6轴开循环低温样品架,包含3个平移自由度和3个转动自由度,提供高精度样品姿态操控,方便地获取动量空间大范围电子结构的测量;样品附近最低温可达4K,为材料低温相变研究提供契机。
真空系统方面,ARPES配备了进样腔、中转腔、退火腔、样品准备腔和测量腔。其中进样腔预留6个样品停放位位;退火腔可进行样品表面的氩刻和退火处理;样品准备腔配有低能电子衍射(LEED)和K-cell,对样品表面进行样品表面结构探测与电子掺杂调制。 
主要方法:UVU/Soft X-ray/ Resonant ARPES 
图1. VLEED自旋探测器及测试结果
图 2 ARPES应用举例
 
 
实验站 2 - 光电子显微镜(PEEM)
PEEM基于光电效应,为固体材料表面性质研究提供了高空间分辨率、化学成分分辨的多模式实验平台。PEEM实验站主体为Elmitec PEEM系统,已集成高性能能量分析器;所采用的光源处了X射线同步辐射以外、还配备汞灯和飞秒激光以满足不同的实验需求。利用飞秒激光的时间分辨能力,实验站已实现超快PEEM方法,满足对表界面动态过程的研究要求。
主要方法:LEEM,MEM,LEED,UV/X-ray/Laser-PEEM,Spectroscopy
图3 PEEM装置及样品托示意图
图4 PEEM应用举例
数据采集与处理
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实验过程
样品架到达测量位置后,可以打开束线关闸,开始实验,步骤如下:
1.打开束线管道与主腔之间的手阀(一般处于打开状态)。
2.打开光闸,按照 123 的顺序依次长按按钮,待红灯亮起后,光闸打开,(关闭光闸的操作为 123 依次长按绿色按钮)。
3. 温度控制:样品架温度范围为 6K-340K;通过转动液氦杜瓦的针阀来控制制冷量,从上向下看,顺时针开大,逆时针关闭,约 180°可实现最大制冷量;样品架内置加热功能,通过温度控制器或者控制软件控制加热,大范围升温需要分段升温(间隔 20K),期间有气体放出,要求主腔真空不 可差于2.0 × 10-10Torr,如果加热功能不足以达到所需温度,需要开小针阀减少制冷量。
4. 切换偏振:梦之线可以实现水平偏振, 竖直偏振,及圆偏振三种不同的偏 振光,通过 DEPU 中的 polar mode 来切换偏振。
5. 切换 EPU:低能区使用 EPU148,高能区域使用 EPU58;根据光子能量与 EPU Gap 关系表来选择 EPU;EPU 切换前,先将偏振切到 LH,然后将当前 EPU 的 Gap 值拉到最大(EPU148 最大为 118,EPU58 最大为 160),关闭光闸, 给中控打电话远程切换。
6. 切换光栅:光子能量低于 250eV 使用 grating1,超过 250eV 使用 grating2; 可在 Mono 中切换,切换前需要关闭光闸。
7. 切换光子能量:BL09U的光子能量可以从 22eV 变到 2000eV;根据光子能 量与 EPU Gap 关系表,改变 EPU 的 Gap 值,改变 Mono 中的光子能量,从而实现能量的切换;注意当能量跨过 250eV 时,需要在切换前后能量较高处切换光栅,避免单色仪光栅和平面镜碰触限位导致开环,例如 100eV 切到 300eV,在 300eV 处换光栅,300eV 切到 100eV,在 300eV 处换光栅。此外,再进行 ARPES 实验时,选用的光子能量不得超过 ARPES 分析器 lens table 规定的能量范围,以免损坏分析器的 MCP 探测器。
8. 调节单色光狭缝 Slit3:用户可以通过 slit3 开口大小来调节光强,最大调节范围为 Y:size motion=100-400 微米之间,推荐 200微米。