PF BL2Cにおける発光実験の現状と展望The present condition and the future view of a x-ray emission
experiment at BL2C in Photon Factory.
弘前大学
手塚 泰久
共同研究者
中島伸夫、佐藤仁、森本理(広島大)
石渡洋一(佐賀大)
大沢仁志(JASRI/SPring-8)、野沢俊介(KEK-PF)、
岩住俊明(大阪府大)
Energy Diagram of SXES and SXRS
蛍光 ラマン散乱
部分状態密度 素励起(エキシトン・フォノン etc)
Raman Spectra of TiO2 Ti K resonance
4962 4964 4966 4968 4970 4972 4974 4976
4960 4980 5000 5020
dipole
eg
eg
t2g
t2g
quad.
Ti 4p
Ti K XAS
TiO2
Inte
nsi
ty (
arb
.un
it)
Photon Energy (eV)
16
11
1
6
K
K
P1
P2
P3
P4
Ti 3d
480 470 460 450
K1K2
0.4
P7P6
P5 P4 P3 P2P1
20
16
11
6
1
0.2
22
44
6
12
1818
RXRSTiO2
Inte
nsi
ty (
arb
.un
it)
Raman Shift (eV)
Comparison of Spectra
0 10 20 30
(e)
(d)
(c)
(b)
(a)
(4968.2)
(458.5)
(459.5)
*
P7P6P5
P4P3
P2P1
S SLII
LIII
t2gt2g
eg
eg
egt2g
6
1
5 Ti 1s XAS
XRS
Ti 2p XAS
4
IPES
TiO2
Inte
nsi
ty (
arb
.un
it)
Relative Energy (eV)g-mode
Selection Rule (non-resonant)
u-mode
dipole
(absorption)
monopole
(Raman)
z
y
x
cfe
fbd
eda
Z
Y
X
Raman Tensor
Raman Spectra of BaTiO3
b
c
0
.
1
0
Å
0
.
0
4
Å
0
.
0
5
Å
T
i
O
B
a
4
+
2
+
2
-
displacement of ions
(tetragonal phase)
T
i
O
B
a
Perovskite Structure
4962 4964 4966 4968 4970 4972 4974 4976
4960 4980 5000 5020
K1
K2
PowderBaTiO3
P1
P2
P3
P4
Ti K XASIn
ten
sity
(a
rb.u
nit
)
Photon Energy (eV)
12
9
62
10
dipole
eg
eg
t2g
quad.
t2g
Ti 3d
Ti 4p
Ti K XAS
eg-orbital
t2g-orbital
490 480 470 460 450
4950 4960 4970 4980
(t2g) (t2g)
(eg)(eg)50
0
5
4
3
2
1
E//c E//b
XRSBaTiO3(100)
Inte
nsi
ty (
arb
.un
it)
Raman Shift (eV)
P7
P6P5
P4
P3
P2
P1
E//b E//c
Ti K XAS
Photon Energy (eV)
4490 4500 4510
E//c
RT
50ºC
60ºC
70ºC
80ºC
90ºC
100ºC
110ºC
115ºC
120ºC (~TC)
125ºC
130ºC
140ºC
150ºC
pol.h = 4967.2 eV
BaTiO3(100)
Inte
nsi
ty (
arb
.un
it)
Emission Energy (eV)
XES
P1P2P3P4P5P6
P7
SXES Spectrometer
SXES Spectrometer
@PF_BL2c
SR
Polarized Configuration
Detector
Grating
Sample
Rowland Circle
軟X線発光@PFBL2C
経緯
1991年~軟X線発光分光器の建設(BL-19B/物性研)
1994年~BL-19B共同利用開始
1996年~可変偏光分光器の建設
S課題(辛G@物性研)で建設(BL-2C)
2003年 物性研グループの撤退
暫定的に手塚が引き受ける
2004年 軟X線発光ユーザーグループの立ち上げ
2010年 ユーザーグループ運営ステーション化
2011年度末まで
Raman Scattering of TiO2
Harada et al., Phys. Rev. B 61, 12854 (2000)
Ti4+ (d0)
CT excitations
改造1:計測系の更新
2D Detector (Quanter Tech.)
2D Spectrum 1D Spectrum
コンピュータ&IFの更新Dead Timeの削減、効率3割り増し
測定プログラムの更新(2D測定)積分パラメータの可視化Hot Spotの除去
Thanks! Dr. Morimoto
改造2:スリットの可変化(ピエゾスリット)
フィードバック無し フィードバック有り
Open Loop
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
-10 0 10 20 30 40 50
Output (V)
Slit
Wid
th (
um)
slit_width(um)
Closed Loop
y = 0.9999x + 49.986
0
50
100
150
200
250
0 50 100 150 200
Output (V)
Slit
Wid
th (
um
)
改造前はスリットがつぶれていた(
改造3:ビームラインの遠隔操作
BL2Undulator
BeamlineMonochromator
XESMonochromator
SR-ring
Gap Excitation Energy XES Measurements
RS-232C
Thanks! Dr. Morimoto
•発光測定の自動化•ビーム強度の取り込み•SRリングのTop-up運転(BL-close無し、強度変化無し)
BeamCurrent
M3Mirror
共鳴スペクトルの測定無限!?3D表示(等高線表示)
TCP/IP
SXRS of TiO2 (rutile)
ΔE ~ 1.5eV
18 hours
XES
depolarized
polarized
(b) PPY (Partial Photon Yield)
(a) TEY (Total Electron Yield)
XES Raman
polarization dependence
Raman
30 20 10 0
XRS10depol.
TiO2(001)
Inte
nsi
ty (
arb
.un
it)
Raman Shift (eV)
30 20 10 0
10pol.Raman
TiO2(001)
Inte
nsi
ty (
arb
.un
it)
Raman Shift (eV)
455 460 465 470 475 480
111098
7
65
4
3
21 S
S depol.
egegt2g
t2gLIILIII
(a)
(b)
— pol.
TiO2(001)
10
Inte
nsi
ty (
arb
.un
it)
Photon Energy (eV)
XAS
440 450 460 470 480
depol.
pol.
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
XES
TiO2(001)
Inte
nsi
ty (
arb
.un
it)
Emission Energy (eV)30 25 20 15 10 5 0 -5
12
11
10
9
depol.
pol.
8
7
6
5
4
3
2
1
RamanTiO2(001)
Inte
nsi
ty (
arb
.un
it)
Raman Shift (eV)440 450 460 470
SXES10depol.
TiO2(001)
Inte
nsi
ty (
arb
.un
it)
Emission Energy (eV)
440 450 460 470
SXES10pol.
TiO2(001)
Inte
nsi
ty (
arb
.un
it)
Emission Energy (eV)
FS
11
10
9
8
7
6
54
3
21
Contour Plot of TiO2L1,2: 3d5/2, 3d3/2→2p3/2 (452.2 eV)
L1 : 3d3/2→2p1/2 (458.4 eV)
Previous results of Ti2O3
Ti 2p XAS of Ti2O3.
Ti 2p XES of Ti2O3. Polarization dependence
Ti2O3
Nominally 3d1 system.
Strong hybridization between Ti and O.
Typical Mott-Hubbard insulator (Eg ~ 0.1eV).
Metal-Insulator transition at about 200 ºC
Powdered sample.
K.E. Smith and V.E. Henrich,
Phys. Rev. B38, 5965 (1988)
../../PF研究会/X線非弾性散乱を用いた物性研究III/Ti2O3_h.ppt
Resonant X-ray Emission and Raman Scattering Spectra of Ti2O3
XES
polarized
depolarized
polarization dependence
Ti2O3:
powder
~ 45K
Raman
440 450 460 470 480
XES depol.Ti2O3
Inte
nsi
ty (
arb
.un
it)
Emission Energy (eV)
P2
P1
LIII(eg)
LIII(t2g)
LII(t2g)
S1(2)
S2(2)
LII(eg)
S1(1)
S2(1)
30 20 10 0
XRSdepol.
Ti2O3
Inte
nsi
ty (
arb
.un
it)
Raman Sift (eV)
P2
P1
LIII(eg)
LIII(t2g)
LII(t2g)
S1(2)
S2(2)
LII(eg)
S1(1)
S2(1)
30 20 10 0
XRS
pol.
Ti2O3
Inte
nsi
ty (
arb
.un
it)
Raman Sift (eV)
P2
P1
LIII(eg)
LIII(t2g)
LII(t2g)
S1(2)
S2(2)
LII(eg)
S1(1)
S2(1)
25 20 15 10 5 0 -5
S2
S2
LII(eg)
LII(t2g)
LIII(eg)
LIII(t2g)
P2
P1
pol.
depol.
XRSTi2O3
Inte
nsi
ty (
arb
.un
it)
Emission Energy (eV)
5 0
S2
S2
LII(eg)
LII(t2g)
LIII(eg)
LIII(t2g)
P2
P1
pol.
depol.
XRSTi2O3
Inte
nsi
ty (
arb
.un
it)
Emission Energy (eV)
440 450 460 470 480
XES
pol.Ti2O3
Inte
nsi
ty (
arb
.un
it)
Emission Energy (eV)
P2
P1
LIII(eg)
LIII(t2g)
LII(t2g)
S1(2)
S2(2)
LII(eg)
S1(1)
S2(1)
Contour Plot
Ti2O3
~ 45K
Strong elastic peak
→ PPY• Strong d-d excitation
• Weak CT excitation
• Polarization dependence
@ eg excitation (*)
• Hidden structures
**
CT
d-delastic
CT
d-d(elastic)
PPY (Partial Photon Yield)
TEY (Total Electron Yield)
Conmarison
**
CT
d-delastic
CT
d-d(elastic)
Photo-induced phase transition ofSrTiO3 (H.Osawa)
Only 36 K under UV irradiation, the d-d excitation
peak ( ) was observed in eg resonance.
t2g-resonanceTi 2p RXES
eg-resonance
ナノ粒子V酸化物 (佐賀大・石渡ら)
•励起状態の測定: 磁場下、電場下、光(レーザー)照射 etc
今後の展望1
•超高真空化 光電子との同時計測、表面・界面
•低温化 光誘起相転移等低エネルギーの変化
•装置(精密機器)の固定(+温調)
•励起光の可変偏光化
(最重要)測定効率の向上
データの信頼性向上
[偏光]測定の簡素化
今後の展望2
•エネルギー領域の拡大 軽元素(B, N, C, Si, etc)の測定BL-2c : 250~1200 eV 90~1200 eV (30~1000 eV)BL-19b: 10~1200 eV (分解能悪い、老朽化)Spring-8: 200~1000 eV(270 eV以上で可変偏光)
今後の展望3
• 高分解能化
低エネルギーの素励起の測定
結晶場(d-d)励起、phonon、 orbitoron、 etc
• 時間分解 SP8で開始。PFでもある程度の投資で可能。
• 角度分解(q-依存性)
• 偏光依存性(発光の偏光解析)
素励起の対称性
• 空間分解
マッピング
PF BL2Cにおける発光実験の現状と展望
Fin