1.简介

软X射线角分辨光电子能谱（ARPES）是研究费米表面和覆盖整个费米表面的带色散的有力工具布里渊区通过改变入射光子能量和发射角（Sekiyama等。, 2004一; 横屋（Yokoya）等。, 2005; 亚诺等。, 2007). 多亏了兴奋动能众所周知，软X射线ARPES的探测深度比传统的VUV测量（Tanuma等。, 1987). 因此，它是埋地界面电子态的合适探针（伯纳等。, 2013; 坎切列里等。2014年)和封端稀磁半导体（小林等。2014年). 由于最近仪器的进步，它也是揭示强相关氧化物（Strocov）体电子态三维能带结构的一种有希望的技术等。2014年)通常与表面不同（Sekiyama等。, 2004b条). 特别是，据报道，强关联氧化钒V的价带光电发射光谱₂O（运行）₃显示出靠近费米能级(E类_F类)随着光子能量（Mo）的增加等。2003年; 藤原等。, 2011)，因此高能光发射是必不可少的。

V（V）₂O（运行）₃显示了在～155 K从高温顺磁性金属（PM）相到低温反铁磁绝缘体（AFI）相的一级转变，伴随着从刚玉相到单斜相的结构变化。这种金属-绝缘体转变（MIT）已经作为莫特-哈伯德MIT（Imada）的典型例子进行了讨论等。, 1998)，其特征是现场库仑排斥能之比U型和单电子带宽W公司然而，局部密度近似（LDA）带宽W公司带有固定的U型无法完全解释MIT（莫等。2003年)，最近的硬X射线光电发射表明U型麻省理工学院没有改变。极化X射线吸收光谱表明，整个麻省理工学院（Park等。, 2000; 汉斯曼等。, 2012). 因此，人们需要新的理论概念，例如轨道选择性MIT图像，其中轨道自由度在麻省理工学院扮演重要角色（拉德等。, 2006; 波特耶夫等。, 2007).

为了从实验方面揭示MIT的驱动机制，有必要通过实验确定V的能带结构和费米表面拓扑₂O（运行）₃与基于现实模型的现代理论进行直接比较。然而，只有少数作品（Smith&Henrich，1988）; 罗德拉基斯等。, 2009)已经报道了ARPES光谱，因为在劈裂后难以获得高质量的镜面。据报告，劈开表面上的平坦区域的尺寸通常不大于100µm（Mo等。, 2006)因此，必须能够选择具有亚毫米级劈开区域²通过旋转样品，在宽动量区域记录可靠ARPES数据，这可能会导致样品位置发生变化。然而，软X射线ARPES测量的微定位技术克服了这些技术问题，即使用聚焦软X射线，并使用用于微焦点束（40×65µm FWHM）的长距离显微镜监测样品表面（Muro等。, 2009). 在本文中，我们演示了成功的能带映射，并展示了金属V的光电发射谱线形状的位置依赖性₂O（运行）₃.

2.实验

ARPES测量在软X射线螺旋波荡器光束线BL25SU（Saitoh等。, 1998, 2000)在SPring-8中。使用半球形电子能量分析仪（VG Scienta AB，SES200）记录光谱，沿狭缝的角度分辨率为0.2°，±5.5°。在这些微ARPES测量的实验几何中（如图1所示)，分析仪的入口狭缝是垂直的。因此，当使用电子透镜的空间成像模式（Muro等。, 2009). 由于特殊成像模式的放大倍数为5，0.2 mm宽狭缝的水平空间分辨率为～40µm，因此可以在样品表面选择一个小区域。分析仪安装在与软X射线束水平倾斜45°的位置，软X射线光束以40µm×65µm FWHM的光束尺寸聚焦于样品表面。长工作距离显微镜（Infinity Photo-Optical，K2/S）与入射光子束的偏移角为10°。显微镜图像显示在计算机屏幕上，如图2所示(一). 通过监测样品表面的显微镜图像和光电子计数率来选择样品位置。之前，使用荧光基板在显微镜监视器上标记电子分析仪轴和软X射线束之间的交叉点，荧光基板的位置是为了使电子分析仪检测到的光电子计数最大化。为了将样品表面的一小部分调整到这个交叉点，我们首先将目标区域设置为显微镜监视器上的标记；然后，我们沿着显微镜轴扫描样品位置，同时将目标区域保持在标记上，直到检测到最大光电子数，以避免显微镜焦距的模糊。其他地方描述了详细的定位技术（Muro等。, 2009, 2011). 光电发射光谱由蒸发金的费米边缘校准。175 K时的总能量分辨率设置为180–250 meV小时ν=640 eV。

图1 这里演示了软X射线ARPES的实验几何学。样品安装在xyz公司θ阶段。n个指示样本法线方向。

图2 主室中记录的光学显微镜图像(一)和准备室(b条). (c（c）)在大阪大学进行光电发射测量后获得的SEM图像。直径为100µm in的圆圈(一)–(c（c）)是采样点的指示器。(d日)样本位置相关性角度积分的在圆圈上记录的价带光电发射光谱(一), (b条)和(d日)直径为100µm。ARPES强度图(e（电子）)和能量分布曲线(（f）)位置1和位置2(克), (小时). 中的虚线(e（电子）)–(小时)是指向指示带结构的峰值位置的眼睛的指南。

单晶V₂O（运行）₃被劈开了就地基本压力为～3×10⁻⁸ 爸爸，为了劈开水晶，我们在V上粘了一块铜板₂O（运行）₃样品。将样品温度设置为略低于MIT转变温度，然后我们用安装在摇杆上的室温金刚石锉刀与铜板进行热接触，从而在样品上建立热梯度。在不同样品之间可变的等待时间之后，通过对不同样品之间的起始温度进行一些调整，该过程会导致样品因MIT中体积变化产生的应变而自发开裂。我们有另一个显微镜来监测样品在制备室中劈开后的表面，样品从制备室转移到主室时，只需使用z（z）（垂直）运动（Muro等。, 2011). 如图2所示，制备室中的显微镜工作距离较短，因此与主室中的相比，其图像对比度更好(b条). 因此，这对于在劈开的样品表面上选择一个劈开良好的区域非常有帮助。ARPES测量后，用外部扫描电子显微镜检查测量位置的表面粗糙度（图2c（c）)和/或使用大阪大学的共焦显微镜。有效测量区域，考虑到由于闭式循环低温恒温器（Muro等。, 2011)，在图2中的显微镜图像上圈出（直径为100µm）(一)–2(c（c）).

3.结果和讨论

图2(d日)图2显示了在显微镜图像上标记的五个不同位置记录的角积分价带光电发射光谱(一)和2(b条). 尽管位置1和其他四个位置之间的距离仅为～100µm，但光谱显示出明显的样品位置相关性。最引人注目的是V3d日范围内的状态E类_F类到3 eV。在位置1观察到的光谱显示了标记为A类近的E类_F类和肩部结构B约1.5 eV。前一个峰是所谓的准粒子峰，后一个峰则是由于来自较低哈伯德波段的非相干卫星。该谱线形状与报告的光谱（Mo等。2003年). 构筑物A类和B然而，在位置2未观察到。人们只能找到1 eV左右的驼峰结构，而O2第页与位置1的状态相比，状态（4–10 eV）也相当无特征。在其他三个位置获得的谱线形状介于两者之间。正如最近的吸收光谱和光电子显微镜（Lupi等。, 2010)和/或表面粗糙度导致的表面成分增加。事实上，据报道，低能光子（～60 eV）激发的价带光谱没有显示峰值结构A类（月等。2003年). 通过比较扫描电子显微镜图2中的（SEM）图像(c（c）)利用价带光电发射光谱，我们可以注意到只有区域1中的平面才能提供精细的结构光谱。在其他位置，平整表面与直径100µm范围内的粗糙表面共存。特别是，位置2甚至在光束光斑区域的中间有一条裂纹。这表明V的光电发射线形状₂O（运行）₃对表面粗糙度很敏感。对于ARPES测量，必须将表面粗糙度降至最低，因为平坦表面对于实现动量守恒定律至关重要。位置1记录的ARPES光谱显示在E类_F类（图2e（电子）). 频带宽度不宽，但在附近的能量分布曲线（EDC）中可以清楚地观察到类电子带特征E类_F类如图2所示(（f）). 相比之下，在位置2处获得的ARPES光谱显示出广泛且无弥散的特征（见图2克和2小时). 这些结果表明，选择合适的解理面²微定位系统的尺寸对于可靠的ARPES测量非常重要，即使在执行软X射线ARPES时也是如此。

讨论V等三维材料的电子结构₂O（运行）₃，不仅要沿着k个_x个–k个_年而且在k个_z（z）指示。因为可以沿着k个_z（z）通过扫描光子能量来确定方向，如图3所示这个小时ν-特定劈开V的相关ARPES谱₂O（运行）₃图2中位置1的表面(一). 在不同的小时ν如图3所示(一)–3(c（c）)清楚地显示了带结构的发展小时ν，表示k个_z（z）分散。很明显，没有交叉带E类_F类如图3所示(一)记录于小时ν=705 eV，而V 3d日带对费米表面的贡献小时ν=685 eV（图3b条). 最显著的信号出现在小时ν=645 eV（图3c（c）). 的确，V3d日附近的峰值E类_F类角度-`集成的'光谱随减少而增加小时ν从705 eV到645 eV（图3d日). 图3突出了带结构的这种演变(e（电子）)–3(克)减去−1º范围内的部分动量平均EDC<sup>−1</sup>至−0.5º<sup>−1</sup>如图3所示(小时)在观察到非色散信号的情况下，给出可能由于角度而产生的“背景”信号-`集成的'表面粗糙度的成分（Mo等。, 2006)和/或由于高激发能量和相对较高的样品温度（镰仓等。, 2006; 布劳恩等。, 2013). 此外，我们可以估计V3d日使用645 eV光子观察到的波段底部的带宽为～0.5 eV。图3中的EDC也支持这一点(我). 通过跟踪附近的EDC峰值位置E类_F类人们注意到了类电子带色散。

图3 V的带映射2O（运行）3记录于小时ν=705电子伏(一)，685电子伏(b条)，645电子伏(c（c）)和那些角度-`集成的'光谱(d日). 通过减去−1º范围内的非色散背景分量，可以显示出高亮的带结构−1至−0.5º−1对于小时ν=705电子伏(e（电子）)，685电子伏(（f）)，645电子伏(克). 减法过程如所示(小时)相对波数为0º时的能量分布曲线（EDC）−1录制于小时ν=645 eV英寸(小时). (我)EDC用于(c（c）)用虚线和箭头引导视线。

为了证明三维ARPES的可行性，我们通过旋转操纵器测量了ARPES光谱的极角依赖性θ对于`面向的“V”₂O（运行）₃在（0001）平面上被劈开。极化角相关ARPES谱的强度图小时ν=图4中的660 eV(一)显示了周围的窄带结构E类_F类和O 2的顶部第页在0°的相对角度处观察到了谱带。通过求二阶导数，如图4所示(b条)，O2第页可以清楚地观察到4-8 eV范围内的带。特别是三个O 2第页通过跟踪图4中0°左右EDC的峰值来确认谱带(c（c）). 此外，人们认识到，V3的底部d日带位于0°，弱分散至±4°。因此，V的极角相关ARPES的可行性₂O（运行）₃如图所示，我们现在强调，三维ARPES用于分割较差的强关联系统，例如。由于缺乏层结构，利用微定位技术选择微小的平面是可行的。

图4 用660 eV光子记录的ARPES的极角依赖性(一)和二阶导数(b条)用于定向V2O（运行）3带有（0001）平面。的EDC(一)如所示(c（c）).

4.结论

我们已经成功地记录了金属V的带色散₂O（运行）₃使用软X射线显微-ARPES方法，该方法将聚焦X射线束和微定位技术与远程光学显微镜相结合。光谱显示出与表面粗糙度有关的强烈位置依赖性，并且在尺寸～100µm的平坦区域成功地进行了带映射。ARPES测量的光能依赖性表明了V3的演变d日能带结构和极角依赖性捕获了O2中的对称能带色散第页状态。因此，我们得出以下结论：k个_x个,k个_年,k个_z（z）通过使用微定位技术执行软X射线ARPES来选择微清洗表面，方向是可行的。