Exploration of the band structure of solids by photoemission spectroscopy via bias voltage applied to the sample and wide angular acceptance deflectors.

Frimpong, Benson Kwaku (2025). Exploration of the band structure of solids by photoemission spectroscopy via bias voltage applied to the sample and wide angular acceptance deflectors. Mémoire. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maitrise en sciences de l'énergie et des matériaux, 57 p.

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Résumé

La spectroscopie de photoémission résolue en angle (ARPES) constitue un outil fondamental en physique de la matière condensée pour l’étude de la structure électronique des matériaux. En mesurant l’énergie et la quantité de mouvement des électrons émis depuis la surface d’un matériau à la suite d’une excitation lumineuse, l’ARPES permet de mesurer directement les structures de bandes électroniques. Ces structures de bandes révèlent des informations essentielles sur des phénomènes tels que la supraconductivité, les états excitoniques, les ondes de densité de charge ainsi que les effets du couplage spin-orbite.

Si les sources de photons à haute énergie ont longtemps été privilégiées dans les études ARPES en raison de leur capacité à sonder de larges régions de l’espace réciproque, les sources de photons à basse énergie suscitent un intérêt croissant, notamment pour leur mise en œuvre expérimentale simplifiée et leur coût réduit, malgré un accès plus limité de l’espace réciproque. Des avancées récentes, en particulier l’introduction de la technologie de déflecteurs, ont permis d’élargir la région mesurable de l’espace réciproque en améliorant la collecte des électrons photoémis. Cette technologie offre la possibilité de recueillir des électrons provenant d’un plus grand éventail d’angles d’émission, sans rotation de l’échantillon, tout en maintenant une géométrie d’interaction lumière-matière fixe, ce qui facilite l’interprétation du signal de photoémission.

Cependant, dans le cadre de l’utilisation d’un analyseur hémisphérique, les systèmes actuels de déflecteurs ne détectent que les électrons dans un cône d’émission d’environ 60 degrés, ce qui empêche la détection d’une partie des électrons émis. Bien que les microscopes de momentum permettent une détection complète, l’analyseur hémisphérique demeure incontournable en raison de sa résolution énergétique et angulaire supérieure, essentielle pour une analyse fine de la structure électronique.

Afin de dépasser cette limitation, l’application d’un champ électrique entre l’échantillon et l’analyseur peut courber les trajectoires électroniques, augmentant ainsi le nombre d’électrons collectés par l’analyseur. Cette approche élargit l’espace réciproque accessible tout en conservant des conditions expérimentales constantes, ce qui permet de préserver les éléments de matrice et les sections efficaces, améliorant ainsi la fiabilité et la qualité des données collectées.

Ce travail s’appuie sur une approche antérieure consistant à appliquer une tension électrique à l’échantillon pour améliorer la collecte des électrons et convertir les angles d’émission en quantité de mouvement dans une seule direction, en l’absence de déflecteurs. L’objectif est ici de développer une méthode plus globale, intégrant l’usage de déflecteurs et généralisant la conversion d’angle en momentum aux deux directions dans le plan. Cette méthode vise à permettre une caractérisation complète de la surface de Fermi et à évaluer de manière rigoureuse l’efficacité de cette approche élargie.

Le matériau Au(111) est utilisé comme référence pour valider la conversion d’angle en momentum dans diverses conditions expérimentales. D’autres matériaux, tels que WTe₂, Bi₂Sr₂CaCu₂O₈ (Bi2212) et Sr₂RuO₄, sont également étudiés afin de démontrer l’indépendance du modèle vis-à-vis du matériau. Ce travail cherche ainsi à identifier les avantages potentiels ainsi que les défis inhérents à cette technique dans le cadre des mesures ARPES, en vue d’une meilleure compréhension des propriétés électroniques des matériaux.


Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy (ARPES) is a fundamental tool in condensed matter physics for investigating the electronic structure of materials. By measuring the energy and momentum of electrons emitted from the surface of a material after photon excitation, ARPES maps directly their electronic band structures. These maps uncover vital details about phenomena such as superconductivity, excitonic behavior, charge density waves and spin-orbit coupling effects. Although high photon energy sources have traditionally been used in ARPES studies to access broad regions of momentum space, low photon energy sources have gained popularity because of their simpler experimental setups and cost efficiency, despite their more limited momentum range. Recent advances in ARPES instrumentation, including deflector technology, have enhanced the collection of photoemitted electrons, thereby broadening the in-plane momentum coverage. This innovation allows researchers to collect photoemitted electrons from a wider range of angles without needing to rotate the sample. In addition, the light matter interaction geometry is fixed, making it easier to model and understand the photoemission matrix elements. However, when using a hemispherical analyzer, current deflector designs are typically limited to a maximum acceptance range of around 60 degrees, leaving some electrons undetected. While momentum microscopes can detect all emitted electrons, the hemispherical analyzer remains crucial because it provides the highest energy and angular resolutions, which are essential for detailed electronic structure analysis. To overcome this limitation, applying an electric field between the sample and the analyzer can bend the electron trajectories, guiding more electrons into the analyzer’s aperture. This technique expands the accessible momentum range while maintaining consistent experimental conditions, preserving matrix elements and cross-sectional areas, and thus improving the reliability and quality of the data. This study builds on an existing approach that applies a bias voltage to a sample to enhance electron collection and convert emission angles into momentum space for a single direction in the plane, using a system without deflectors. The aim is to develop a more comprehensive method that incorporates deflectors and extends the angle-to-momentum conversion to both in-plane momentum directions, allowing for a complete characterization of the Fermi surface and a thorough assessment of the effectiveness of the expanded approach. The study uses Au(111) as a reference material to test the momentum conversion approach under various conditions. Additional materials, including WTe₂, Bi₂Sr₂CaCu₂O₈ (Bi2212), and Sr₂RuO₄, are employed to confirm that the model is not material dependent. In doing so, it seeks to uncover both the potential advantages, and the challenges associated with this technique in ARPES measurements to understand the electronic properties of materials.

Type de document:	Thèse Mémoire
Directeur de mémoire/thèse:	Boschini, Fabio
Mots-clés libres:	-
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	27 mai 2026 15:47
Dernière modification:	27 mai 2026 15:47
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/17213

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