Lecture 15 Thu photoemission

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1 WIR SCHAFFEN WISSEN – HEUTE FÜR MORGEN Photoemission spectroscopy Frithjof Nolting :: Head of LSC :: Paul Scherrer Institut PSI Master School 2017 Basic research – electronic devices Page 2 Hard disc Cars, sensors, displays Modern communication devices are full of fascinating physics and advanced materials

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WIR SCHAFFEN WISSEN – HEUTE FÜR MORGEN

Photoemission spectroscopy

Frithjof Nolting ::  Head of LSC  ::  Paul Scherrer Institut

PSI Master School 2017

Basic research – electronic devices

Page 2

Hard discCars, sensors, displays

Modern communication devices are full of fascinating physics and advanced materials 

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Aim of the lecture

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Basic concepts of Photoemission spectroscopy 

• How to probe the occupied states

• Einstein and the Photoelectric effect

• Photoemission process 

• XPS, X‐ray photoelectron spectroscopy

• Comparison XAS and XPS

• ARPES, Angle resolved Photoemission Spectroscopy

• Ambient pressure XPS

• XPD, X‐ray Photoelectron Diffraction

Key Phenomena

Incidentx-ray photon

Inelastic Scattering(Compton)

Elastic Scattering(Thomson)

Fluorescence

TransmittedPhoton

Auger/Photoelectron

InterfaceSurface

Bulk

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Extended X‐ray Absorption Fine Structure

reflects spatial location of neighboring atoms

Near Edge X‐ray Absorption Fine Structure

reflects density of unoccupied states

Also called XANES

Absorption of Photons in the Soft X-ray Range

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How can we probe the occupied states?

P. Willmott, Intro to Synchr. Rad.

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Measure energy of Photoelectron

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Note: to be precise, we measure the properties of the photohole

Aim of the lecture

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Basic concepts of Photoemission spectroscopy 

• How to probe the occupied states

• Einstein and the Photoelectric effect

• Photoemission process 

• XPS, X‐ray photoelectron spectroscopy

• Comparison XAS and XPS

• ARPES, Angle resolved Photoemission Spectroscopy

• Ambient pressure XPS

• XPD, X‐ray Photoelectron Diffraction

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Photoelectric effect

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Ee = hν – EB ‐eΦ

EB: Binding energy

eΦ: workfunction

Origin of Workfunction

Page 10P. Willmott, Intro to Synchr. Rad.

Ee = hν – EB ‐eΦ

EB: Binding energy

eΦ: workfunction

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Aim of the lecture

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Basic concepts of Photoemission spectroscopy 

• How to probe the occupied states

• Einstein and the Photoelectric effect

• Photoemission process 

• XPS, X‐ray photoelectron spectroscopy

• Comparison XAS and XPS

• ARPES, Angle resolved Photoemission Spectroscopy

• Ambient pressure XPS

• XPD, X‐ray Photoelectron Diffraction

Conservation laws

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Energy conservation: (Ee = hν – EB –eΦ)

Momentum conservation: kinitial + khv = kfinal(but momentum of electron is high, momentum of photon 

is small, e.g. ≈0 at UV energies)

8 1/ / 10 mphoton photon photonk p E c

10 110 melectronk

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Conservation laws – electron in a crystal

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Three step model

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1) Creating of photoelectron

2) Travel to surface

3) Penetrate surface  Note: this  is a simplified model

P. Willmott, Intro to Synchr. Rad.

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8

One-Step Model

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Universal curve

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UPS, XPS, HAXPES

Page 17P. Willmott, Intro to Synchr. Rad.

XPS: X‐ray Photoelectron Spectroscopy

(or ESCA: Electron Spectroscopy for Chemical 

Analysis)

PES: Photoelectron Spectroscopy

ARPES: Angle resolved Photoemission 

Spectroscopy

UPS: ultraviolet Photoelectron Spectroscopy

HAXPES: hard X‐ray PES

Aim of the lecture

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Basic concepts of Photoemission spectroscopy 

• How to probe the occupied states

• Einstein and the Photoelectric effect

• Photoemission process 

• XPS, X‐ray photoelectron spectroscopy

• Comparison XAS and XPS

• ARPES, Angle resolved Photoemission Spectroscopy

• Ambient pressure XPS

• XPD, X‐ray Photoelectron Diffraction

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XPS – fingerprinting of elements

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XPS - fingerprinting of valence

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Rule of thumb: elements in a higher oxidation state have electrons with higher binding energies

P. Willmott, Intro to Synchr. Rad.

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Aim of the lecture

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Basic concepts of Photoemission spectroscopy 

• How to probe the occupied states

• Einstein and the Photoelectric effect

• Photoemission process 

• XPS, X‐ray photoelectron spectroscopy

• Comparison XAS and XPS

• ARPES, Angle resolved Photoemission Spectroscopy

• Ambient pressure XPS

• XPD, X‐ray Photoelectron Diffraction

Comparison XPS and XAS

Page 22P. Willmott, Intro to Synchr. Rad.

Page 12: Lecture 15 Thu photoemission

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Comparison XPS and XAS

Page 23

Comparison XPS and XAS

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Leveneur, Jérôme & Waterhouse, Geoffrey & Kennedy, John & Metson, James & Mitchell, David. (2011). Nucleation and growth of 

Fe nanoparticles in SiO2: A TEM, XPS, and Fe L‐Edge XANES investigation. The Journal of Physical Chemistry C. 115. 20978‐20985. 

10.1021/jp206357c. 

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Aim of the lecture

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Basic concepts of Photoemission spectroscopy 

• How to probe the occupied states

• Einstein and the Photoelectric effect

• Photoemission process 

• XPS, X‐ray photoelectron spectroscopy

• Comparison XAS and XPS

• ARPES, Angle resolved Photoemission Spectroscopy

• Ambient pressure XPS

• XPD, X‐ray Photoelectron Diffraction

From binding energy to density of states

Page 26P. Willmott, Intro to Synchr. Rad.

Page 14: Lecture 15 Thu photoemission

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To band maps

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To band maps

Page 28

EDM: Energy Distribution Map

MDC: Momentum Distribution Curve

EDC: Energy Distribution Curve

P. Willmott, Intro to Synchr. Rad.

Page 15: Lecture 15 Thu photoemission

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Ni(110)

Page 29X.Y. Cui et al, Phys Rev B 81 (201) 245118SIS beamline at SLS

APRES from Cu(111)

Page 30

Page 16: Lecture 15 Thu photoemission

16

Analyzer

Page 31P. Willmott, Intro to Synchr. Rad.

ARPES beamline

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Page 17: Lecture 15 Thu photoemission

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Spin-resolved ARPES at COPHEE

• Topological insulators: first ever verification of spin-momentum locking of surface state.Bi2Se3, Bi2Te3, PbBi4Te7, TlBiSe2, Bi(114), α-Sn, TCI, thin films, …

• Spin structure of SmB6 as topological Kondo insulator

• Rashba systems: quantum well states, 2D, 1D, spin-orbit density wave

• Bulk Rashba systems: measurement of 3D Fermi surface and spin structure (BiTeI, BiTeCl, GeTe …)

• 2DEG on transition metal oxides (e.g. SrTiO3, …):-combination of Rashba and magnetism-influence of ferroelectricity on spin structure?

SrTiO3(001)

Capabilities:• Spin vector in 3D for any point in k-

space• Use photon-energy and -

polarisation to study correlation effects

• Resonant effects (“XMCD above Curie”, singlet-triplet distinction)

• In-situ sample preparation

Results:

Managed by Hugo Dil (EPFL and PSI)

Courtesy Hugo Dil

Soft-X-Ray ARPES

Page 34ADRESS beamline at SLS

Page 18: Lecture 15 Thu photoemission

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Band structure of GaAs through amorphous As layer

M. Kobayashi et al (SLS); samples: Uni Tokyo

large required: Soft-X-ray ARPES

5-10Å

GaAs

hv e

amorphous As

acquisition time 3 min

GaAs signal piles up with hv

hv = 287 eV hv = 453 eV hv = 892 eV

ЕB

-EV

BM

(eV

)

Angle (deg)

High Energies: Soft-X-Ray ARPES

NanoARPES

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Page 19: Lecture 15 Thu photoemission

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Aim of the lecture

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Basic concepts of Photoemission spectroscopy 

• How to probe the occupied states

• Einstein and the Photoelectric effect

• Photoemission process 

• XPS, X‐ray photoelectron spectroscopy

• Comparison XAS and XPS

• ARPES, Angle resolved Photoemission Spectroscopy

• Ambient pressure XPS

• XPD, X‐ray Photoelectron Diffraction

Ambient pressure XPS

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Liquid jet XPS

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M.A. Brown et al, Rev. Sci. Instrum 84, (2013) 073904Soon at NanoXAS beamline at SLS

Already used at SIM and PHOENIX beamline

Aim of the lecture

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Basic concepts of Photoemission spectroscopy 

• How to probe the occupied states

• Einstein and the Photoelectric effect

• Photoemission process 

• XPS, X‐ray photoelectron spectroscopy

• Comparison XAS and XPS

• ARPES, Angle resolved Photoemission Spectroscopy

• Ambient pressure XPS

• XPD, X‐ray Photoelectron Diffraction

Page 21: Lecture 15 Thu photoemission

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X-ray Photoelectron Diffraction (XPD)

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PEARL beamline at SLSP. Willmott, Intro to Synchr. Rad.

X-ray Photoelectron Diffraction (XPD)

Page 42PEARL beamline at SLS

Page 22: Lecture 15 Thu photoemission

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ARPES beamline

Page 43

ARPES, Advantages and Limitations

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Now SX‐ARPES