Angle resolved photoemission spectroscopy

Angle resolved photoemissionspectroscopy는 각도분해 광전자분광법이라고도 말한다.

이를 간단히 말하자면, 물질에 자외광이나 X선을 쬐어주어 물질 밖으로 나오는 광전자의 방출각을 변화 시키면서 운동에너지를 측정하여 물질 내의 전자상태를 구하는 방법이다.

위의 그림과 같은 방법으로 물질을 연구한다.

이론으로 예측된 결과를 검증하는 것만이 아니라, 아직은 설명되지 않은 고체의 성질을 이해하기 위해서도, 여러 가지 실험방법들이 그 실마리를 제공할 수 있는데, 특히나 중요한 것은 갖가지 저에너지 들뜸에 의한 분광학적 실험이라 할 수 있다.

그 중에서도 각도분해 광전자 분광법(ARPES)은, 중성자 비탄성 산란과 더불어 고체의 성질을 이해하기 위한 가장 중요한 방법들 중 하나라 할 수 있다.

광전자 분광법(PES)은 아인슈타인의 광전효과를 이용한 것으로, 고체의 일함수보다 큰 에너지를 가진 광자를 고체 시료에 쪼인 후 그 에너지를 흡수한 광전자가 얼마나 많이 나오는지를 에너지에 따라 재는, 즉 스펙트럼을 얻는 실험 방법을 말한다.

PES는 고체 표면에 매우 민감한 실험이다.

공기 중에 노출된 고체는 많은 불순물이 고체 표면에 달라 붙기 때문에, 우리가 원하는 시료의 스펙트럼을 얻기 위해서는 무엇보다 먼저 이러한 불순물을 제거하는 것이 필수적이고, 실험 중에는 초고진공을 유지해야 한다. 또한 고체의 표면은 그 내부와 매우 다른 전자구조를 가질 수 있기 때문에, 스펙트럼의 어느 부분이 표면에서 기인하는 것인지를 파악하는 것이 중요하다.

하지만PES가 표면에 민감하다는 단점이, 거꾸로 표면 상태를 조사하기 위해서는 가장 강력한 도구라는 장점이 된다.

모든 분광 실험은, 어떻게 하면 높은 에너지 분해능을 가지고 빠른 시간 안에 신호 대 잡음비가 높은 스펙트럼을 효율적으로 얻을 것인가가 좋은 결과를 얻는 관건이 된다.

관심을 둔 시료가 단결정이면서, 운이 좋아 거울처럼 매끈한 표면을 얻을 수 있으면, 시료에서 방출되는 광전자의 방출 각도가 잘 정의된다. 광전자의 운동에너지는 그 운동량의 제곱에 비례하고, 표면에 나란한 방향의 광전자의 운동량이 시료 안과 밖에서 보존된다는 것을 이용하면, 광전자의 운동에너지와 방출 각도로부터 시료 안에서의 표면에 나란한 방향의 전자의 운동량을 결정할 수 있다. 표면에 수직한 방향은 표면에서의 퍼텐셜 차이 때문에 곤란한 점이 있지만, 빛 에너지를 바꾸면서 스펙트럼을 얻어, 단결정의 병진 대칭을 조사하면 수직 방향의 운동량 또한 결정할 수 있다. 이처럼 광전자의 고체 안에서의 운동량을 결정할 수 있는 실험을 ARPES라고 한다.

좋은 운동량 분해능을 위해서는 좁은 각도 안의 광전자만 측정해야하는데, 보통의 동심 반구형 분석기는 10도 이상의 큰 수용각을 가지고 있다. 지난 세기말에 광전자의 방출 각도를 전자 검출기까지 그대로 유지할 수 있는 전자 렌즈가 개발되어, 분석기가 받아들인 전자 모두의 각도를 결정할 수 있게 되었다.