Студентка НГУ разрабатывает электронно-оптическую систему спин-детектора Мотта для фотоэлектронной спектроскопии
В Новосибирском государственном университете продолжают реализовать свои проекты участники молодежного конкурса научно-исследовательских проектов «Рентгеновские, синхротронные, нейтронные методы междисциплинарных исследований».
Самые успешные разработки получают поддержку программы «Приоритет 2030» и будут внедряться на исследовательских станциях Сибирского кольцевого источника фотонов (СКИФ). Среди них — проект студентки 2 курса магистратуры кафедры физики полупроводников Физического факультета НГУ Анастасии Микаевой «Разработка электронно-оптической системы спин-детектора Мотта для фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением».
Фотоэлектронная спектроскопия с угловым разрешением — метод спектроскопии, использующий пучок света высокой энергии, который взаимодействует с поверхностью исследуемого материала и спектрометром с угловым разрешением для детектирования энергии выбитых электронов. Этот метод позволяет измерять закон дисперсии электронов в материале и его зонную структуру.
— Электронная зонная структура — уникальная характеристика кристаллических твердых тел, которая определяет их отклик на воздействие внешних полей, то есть электрофизические, магнитные и оптические свойства. В настоящее время основным экспериментальным методом изучения электронной структуры поверхностей кристаллических твердых тел является фотоэлектронная спектроскопия с угловым разрешением (ФЭСУР). Она успешно применяется для изучения электронной структуры таких систем, как купратные и железосодержащие высокотемпературные сверхпроводники, графен и графеноподобные материалы, дихалькогениды переходных металлов, топологические квантовые материалы. Данный метод основан на явлении внешнего фотоэлектрического эффекта. Измерение распределения фотоэлектронов по энергии и углам эмиссии позволяет определить электронную энергетическую структуру исследуемого твердого тела. Помимо непосредственно дисперсии зон, важным параметром при исследовании, например, магнитных и квантовых систем является спиновая поляризация электронов в зонах, для измерения которой требуется использование отдельных спин-детекторов, – объяснила Анастасия Микаева.
В России имеется несколько действующих установок ФЭСУР. Самая современная из них – установка SPECS ProvenX‐ARPES (Германия, 2021 г.). Она находится в Институте физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН, на базе которого Анастасия Микаева и проводит свою работу под научным руководством старшего преподавателя кафедры общей физики Физического факультета НГУ, к. ф.-м. н. Владимира Голяшова.
Основным элементом установки является высокоразрешающий полусферический анализатор ASTRAIOS 190. Подобная система будет использоваться и на станции 1-6-2 «Электронная структура» ЦКП «СКИФ», которая является одной из шести станций первой очереди, запуск которых запланирован на конец 2024 года.
— К сожалению, комплектация этих установок коммерчески доступными спин-детекторами в данный момент невозможна в силу нескольких причин: импортные варианты недоступны, во-первых, из-за санкционного давления на Россию, во-вторых, стоимость готовых решений очень высока – до 300 тысяч евро. Цель моей работы – создать электронно-оптическую систему для сопряжения доступного нам детектора Мотта с имеющимся анализатором энергий электронов. Создаваемая нами сверхвысоковакуумная электронно-оптическая система должна обеспечивать перенос электронного пучка из определенной точки выходной фокальной плоскости анализатора на входную апертуру детектора Мотта, обеспечивая поворот пучка электронов на 90° относительно исходного направления и не нарушая при этом работу основных систем анализатора, – рассказала Анастасия Микаева.
На первом этапе работы над проектом исследовательница занялась моделированием электронно-оптической системы для сопряжения анализатора энергий электронов ASTRAIOS 190 с классическим детектором Мотта. Она построила трехмерную модель системы в среде Autodesk Inventor и смоделировала траектории пролета электронов с необходимыми энергиями. Путем моделирования были оптимизированы геометрия и потенциалы элементов системы. Расчеты показали, что предложенная система удовлетворяет всем исходно заложенным нами требованиям.
— Это был мой первый опыт работы с моделированием, многое необходимо было изучать с нуля. Например, мне пришлось обучиться работать с программой, которая позволяет строить 3D-модели. Но тем не менее, по произведенным расчетам оказалось, что в моделировании моя электронно-оптическая система работает. Поэтому в настоящее время мы перешли к следующему этапу проекта – непосредственно к изготовлению элементов электронно-оптической системы, подбору материалов и проработке сборки электронно-оптической системы. Сейчас идет поиск наиболее выгодного пути изготовления керамики между линзами. Затем мы проверим, как эта система работает в условиях вакуума, а уже потом присоединим к самой установке, проведем коррекцию напряжения и других параметров, — пояснила Анастасия Микаева.
Когда электронно-оптическая система будет готова, исследователи смогут изучать спиновую поляризацию поверхности полупроводников, которые находят применение в микроэлектронике, производстве инфракрасных детекторов, электронных датчиков и приемников различных видов излучений.