基于角分辨光電子能譜的真空控制系統(tǒng)開發(fā)及狄拉克節(jié)線半金屬特性研究一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代凝聚態(tài)物理的研究領(lǐng)域中，角分辨光電子能譜（Angle-ResolvedPhotoelectronSpectroscopy，ARPES）技術(shù)已然成為一種極為關(guān)鍵且強大的實驗手段。ARPES技術(shù)的核心原理是基于光電效應(yīng)，當一束具有特定能量的光照射到樣品表面時，若入射光的頻率高于樣品的特定閾值（即功函數(shù)），樣品表面附近的電子便會吸收光子能量，克服束縛而脫離樣品，成為自由光電子。通過精確測量這些光電子的動能、出射角等信息，ARPES能夠直接獲取材料中電子的能量、動量分布等關(guān)鍵信息，進而深入揭示材料的電子結(jié)構(gòu)。這種對電子結(jié)構(gòu)的直接探測能力，使得ARPES在凝聚態(tài)物理研究中占據(jù)著舉足輕重的地位。在高溫超導(dǎo)體的研究中，盡管自1986年銅氧化物高溫超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)以來，科學(xué)家們對其進行了大量的研究，但高溫超導(dǎo)機理仍然是一個未解之謎。高溫超導(dǎo)體的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（T_c）不僅取決于銅氧面CuO_2的摻雜濃度，還密切依賴于晶胞中CuO_2面的層數(shù)（n）。在三層體系（n=3）中，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度T_c最高，且表現(xiàn)出不尋常的相圖，其T_c在最佳摻雜達到最高之后在過摻雜區(qū)域幾乎保持不變，這與通常單層或雙層銅氧化物超導(dǎo)體中T_c在過摻雜區(qū)域顯著降低形成明顯區(qū)別。借助ARPES技術(shù)，科研人員能夠?qū)Ω邷爻瑢?dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)進行細致的研究。如中國科學(xué)院物理研究所的研究團隊利用自主研制的深紫外激光角分辨光電子能譜，對三層銅氧化物超導(dǎo)體Bi_2Sr_2Ca_2Cu_3O_{10+\delta}（Bi2223）的電子結(jié)構(gòu)進行了深入研究，首次在過摻的Bi2223樣品（T_c=108K）中觀察到費米面三層劈裂的現(xiàn)象，為理解其高臨界溫度的起源提供了重要信息。在拓撲材料的探索方面，拓撲絕緣體是近年來凝聚態(tài)物理研究的熱點材料，它具有絕緣的內(nèi)部和導(dǎo)電的表面，在拓撲電子學(xué)、非線性光學(xué)和拓撲量子計算領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。通過ARPES技術(shù)，科學(xué)家們能夠?qū)ν負洳牧系谋砻鎽B(tài)和體態(tài)電子結(jié)構(gòu)進行精確測量，從而深入研究其拓撲性質(zhì)。南方科技大學(xué)的研究團隊使用ARPES研究了反鐵磁拓撲絕緣體MnBi_2Te_4，發(fā)現(xiàn)其表面能帶形成了一個完整的X形，證明該表面以不尋常的，拓撲保護的方式導(dǎo)電，推翻了此前認為其天然解理面應(yīng)該是絕緣的實驗結(jié)論，使磁性拓撲體系的研究邁入一個新的階段。而真空控制系統(tǒng)作為ARPES實驗裝置的重要組成部分，對實驗的成功與否起著決定性的作用。在ARPES實驗中，樣品需要在超高真空環(huán)境下進行測量，以避免樣品表面被污染，確保光電子能從樣品表面順利發(fā)射并被準確探測。若真空環(huán)境不佳，樣品表面會迅速吸附氣體分子等雜質(zhì)，這些雜質(zhì)會改變樣品的電子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)偏差，無法準確反映樣品的本征電子結(jié)構(gòu)。維持UHV環(huán)境需要極其苛刻的真空獲得設(shè)備，排空循序是真空室先使用機械泵抽空至1Pa(7.5\times10^{-3}torr)，然后使用渦輪分子泵、低溫泵的一種或多種泵串聯(lián)或并聯(lián)將腔室泵抽至大約1\times10^{-4}Pa(7.5\times10^{-7}torr)，再用離子泵、鈦升華泵、非蒸發(fā)吸氣劑繼續(xù)抽氣。此時真空室封閉并烘烤至200°C以上的溫度，烘烤超過24小時后，烘烤過程去除了腔室壁表面大多數(shù)的氣體原子，再冷卻腔室至室溫，真空排期系統(tǒng)繼續(xù)維持直至腔室達到UHV區(qū)間壓力。狄拉克節(jié)線半金屬作為一種新型的拓撲半金屬，近年來受到了廣泛的關(guān)注。在狄拉克節(jié)線半金屬中，導(dǎo)帶和價帶在布里淵區(qū)中形成一維的節(jié)線，這些節(jié)線是由能帶的交叉形成的，并且受到晶體對稱性的保護。這種獨特的電子結(jié)構(gòu)使得狄拉克節(jié)線半金屬具有許多新奇的物理性質(zhì)，如鼓膜狀的表面態(tài)、線性色散的能帶結(jié)構(gòu)等，使其在高溫超導(dǎo)、量子計算等領(lǐng)域展現(xiàn)出潛在的應(yīng)用價值。北京理工大學(xué)的研究團隊通過理論上第一性原理計算和實驗上角分辨光電子譜測量證實了單層的Cu_2Si體系是一種二維節(jié)線半金屬，發(fā)現(xiàn)其在費米能級附近，體系的一條導(dǎo)帶和兩條價帶相交，在布里淵區(qū)中間區(qū)域形成兩套封閉的節(jié)線，兩套節(jié)線分別呈現(xiàn)六邊形和六角梅花形，進一步通過對稱性分析揭示了這種節(jié)線半金屬受到垂直方向的鏡面對稱性保護。對狄拉克節(jié)線半金屬的深入研究，不僅有助于我們進一步理解凝聚態(tài)物理中的拓撲電子態(tài)和量子現(xiàn)象，還可能為新型量子材料的開發(fā)和應(yīng)用開辟新的道路。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀角分辨光電子能譜技術(shù)自誕生以來，歷經(jīng)了多個重要的發(fā)展階段，在技術(shù)原理和應(yīng)用領(lǐng)域上都取得了顯著的進展。早期的ARPES技術(shù)主要使用實驗室光源，如氦燈等。氦燈發(fā)出的光存在一定展寬，導(dǎo)致能量分辨率有限，且其發(fā)出的光是非極化的，無法通過選擇定則研究特定能帶，這在一定程度上限制了其對復(fù)雜材料電子結(jié)構(gòu)的精確探測。隨著同步輻射光源的出現(xiàn)，ARPES技術(shù)迎來了重大突破。同步輻射具有輻射光強度大、可以根據(jù)需求變更光子能量、相干性強等優(yōu)勢，能夠提供更精確的電子結(jié)構(gòu)信息，使得科研人員能夠?qū)Ω鞣N材料的電子結(jié)構(gòu)進行深入研究，極大地推動了凝聚態(tài)物理等相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。近年來，激光技術(shù)的不斷進步為ARPES技術(shù)注入了新的活力。深紫外激光角分辨光電子能譜儀的研制成功，進一步提高了光電子能譜的性能。如中國科學(xué)院物理研究所研制的大動量極低溫深紫外激光光電子能譜系統(tǒng)，配備了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的177nm和167nm深紫外激光，對應(yīng)光子能量分別為7.0eV和7.4eV，光源線寬僅為0.26meV，7.4eV的深紫外激光更是達到了全固態(tài)激光目前的最高光子能量紀錄。該儀器采用5軸低溫樣品臺，最低樣品溫度可達到0.8K，在0.8K的低溫下，對多晶金的費米能級展寬測得的總寬度為0.71meV，驗證了其超高能量分辨率。在真空控制系統(tǒng)方面，隨著科學(xué)研究對真空環(huán)境要求的不斷提高，超高真空技術(shù)得到了廣泛的研究和應(yīng)用。在ARPES實驗中，維持超高真空環(huán)境需要極其苛刻的真空獲得設(shè)備和復(fù)雜的操作流程。通常，真空室先使用機械泵抽空至1Pa(7.5\times10^{-3}torr)，然后利用渦輪分子泵、低溫泵等串聯(lián)或并聯(lián)將腔室泵抽至大約1\times10^{-4}Pa(7.5\times10^{-7}torr)，再用離子泵、鈦升華泵、非蒸發(fā)吸氣劑繼續(xù)抽氣。之后，真空室需封閉并烘烤至200°C以上的溫度，烘烤超過24小時，以去除腔室壁表面的氣體原子，再冷卻至室溫，真空排氣系統(tǒng)持續(xù)維持直至腔室達到超高真空區(qū)間壓力。若腔室未烘烤，達到超高真空條件可能需要數(shù)月時間。為了滿足不同實驗的需求，各種新型的真空設(shè)備和技術(shù)不斷涌現(xiàn)。一些研究致力于開發(fā)更高效的真空泵，以提高抽氣速度和真空度；還有一些研究則專注于改進真空室的設(shè)計和材料，減少氣體吸附和泄漏，從而更好地維持穩(wěn)定的真空環(huán)境。狄拉克節(jié)線半金屬作為拓撲半金屬家族中的重要成員，近年來成為凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的研究熱點。理論研究方面，科學(xué)家們通過第一性原理計算等方法，對狄拉克節(jié)線半金屬的電子結(jié)構(gòu)、拓撲性質(zhì)以及物理特性進行了深入探討，預(yù)測了許多新奇的物理現(xiàn)象。實驗研究中，科研人員利用ARPES、掃描隧道顯微鏡（STM）等先進實驗技術(shù)，對狄拉克節(jié)線半金屬的電子結(jié)構(gòu)進行了直接觀測，為理論研究提供了有力的實驗支持。北京理工大學(xué)的研究團隊通過理論計算和ARPES測量，證實了單層的Cu_2Si體系是一種二維節(jié)線半金屬，發(fā)現(xiàn)其在費米能級附近，體系的一條導(dǎo)帶和兩條價帶相交，在布里淵區(qū)中間區(qū)域形成兩套封閉的節(jié)線，兩套節(jié)線分別呈現(xiàn)六邊形和六角梅花形，進一步通過對稱性分析揭示了這種節(jié)線半金屬受到垂直方向的鏡面對稱性保護。目前對于狄拉克節(jié)線半金屬的研究仍存在一些不足之處。在材料制備方面，高質(zhì)量的狄拉克節(jié)線半金屬材料的制備難度較大，限制了對其物理性質(zhì)的深入研究；在理論研究方面，雖然取得了一些進展，但對于狄拉克節(jié)線半金屬在復(fù)雜環(huán)境下的物理行為以及與其他材料的耦合效應(yīng)等方面，還需要進一步的理論探索；在實驗測量方面，由于狄拉克節(jié)線半金屬的一些物理性質(zhì)較為微弱，對實驗技術(shù)的精度和靈敏度提出了更高的要求，現(xiàn)有的實驗技術(shù)在某些方面還難以滿足需求。1.3研究內(nèi)容與創(chuàng)新點本研究聚焦于角分辨光電子能譜的真空控制系統(tǒng)開發(fā)與狄拉克節(jié)線半金屬的研究，旨在通過對這兩個關(guān)鍵領(lǐng)域的深入探索，為凝聚態(tài)物理的發(fā)展提供新的理論和實驗依據(jù)。在真空控制系統(tǒng)開發(fā)方面，研究內(nèi)容主要包括對超高真空系統(tǒng)的設(shè)計與搭建。通過對各種真空泵、真空室等設(shè)備的選型和優(yōu)化，構(gòu)建一套能夠滿足角分辨光電子能譜實驗需求的超高真空系統(tǒng)。對真空系統(tǒng)的控制與監(jiān)測進行研究，開發(fā)相應(yīng)的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對真空度、溫度等參數(shù)的精確控制和實時監(jiān)測，確保實驗過程中真空環(huán)境的穩(wěn)定性。通過對真空系統(tǒng)的烘烤、清潔等預(yù)處理工藝的研究，減少系統(tǒng)內(nèi)的氣體吸附和雜質(zhì)，提高真空系統(tǒng)的性能。在狄拉克節(jié)線半金屬的研究方面，本研究計劃通過理論計算，采用第一性原理計算等方法，對狄拉克節(jié)線半金屬的電子結(jié)構(gòu)、拓撲性質(zhì)以及物理特性進行深入研究，預(yù)測其在不同條件下的物理行為，為實驗研究提供理論指導(dǎo)。開展材料制備工作，探索適合狄拉克節(jié)線半金屬生長的制備方法，如分子束外延、化學(xué)氣相沉積等，制備高質(zhì)量的狄拉克節(jié)線半金屬材料。利用角分辨光電子能譜技術(shù)對狄拉克節(jié)線半金屬的電子結(jié)構(gòu)進行實驗測量，驗證理論計算的結(jié)果，深入研究其電子結(jié)構(gòu)和拓撲性質(zhì)，探索其潛在的應(yīng)用價值。本研究的創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在以下幾個方面。在真空控制系統(tǒng)開發(fā)中，創(chuàng)新性地將多種先進技術(shù)相結(jié)合，如采用新型的真空泵技術(shù)提高抽氣效率和真空度，利用先進的傳感器技術(shù)實現(xiàn)對真空參數(shù)的高精度監(jiān)測，開發(fā)智能化的控制系統(tǒng)實現(xiàn)對真空系統(tǒng)的自動化控制，從而提高真空控制系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。在狄拉克節(jié)線半金屬的研究中，通過理論計算和實驗測量的緊密結(jié)合，深入研究其電子結(jié)構(gòu)和拓撲性質(zhì)，揭示其內(nèi)在的物理機制。與以往研究不同的是，本研究將更加關(guān)注狄拉克節(jié)線半金屬在復(fù)雜環(huán)境下的物理行為，以及與其他材料的耦合效應(yīng)，為其在實際應(yīng)用中的拓展提供理論支持。本研究還將探索狄拉克節(jié)線半金屬在高溫超導(dǎo)、量子計算等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用，為新型量子材料的開發(fā)和應(yīng)用開辟新的道路。二、角分辨光電子能譜與真空控制系統(tǒng)基礎(chǔ)2.1角分辨光電子能譜原理與應(yīng)用2.1.1基本原理角分辨光電子能譜（ARPES）的基本原理根植于光電效應(yīng)，這一效應(yīng)最早由德國物理學(xué)家赫茲于1887年發(fā)現(xiàn)。當一束具有足夠能量的光照射到固體樣品表面時，若入射光的頻率高于樣品的特定閾值（即功函數(shù)），樣品表面附近的電子便會吸收光子能量，克服束縛而脫離樣品，成為自由光電子。這一過程遵循愛因斯坦的光電效應(yīng)方程：h\nu=E_{kin}+\phi+E_{B}，其中h\nu表示入射光子的能量，E_{kin}是出射光電子的動能，\phi為材料的功函數(shù)，即發(fā)生光電效應(yīng)的最小光子能量，E_{B}則是電子的束縛能。在ARPES實驗中，核心目標是獲取樣品中電子的能量和動量信息。通過精確測量出射光電子的動能E_{kin}和發(fā)射角度，結(jié)合已知的入射光子能量h\nu和材料功函數(shù)\phi，便可以依據(jù)上述方程計算出電子的束縛能E_{B}。由于光子的動量相較于電子動量可忽略不計，且垂直于樣品表面方向上晶體平移對稱性被破壞，導(dǎo)致該方向上動量不再守恒，因此實驗中主要測量的是固體中電子在平行于樣品表面方向上的動量分量k_{\parallel}。根據(jù)動量守恒定律，平行于樣品表面方向的動量分量k_{\parallel}與光電子的動能E_{kin}和發(fā)射角度\theta存在如下關(guān)系：k_{\parallel}=\sqrt{\frac{2mE_{kin}}{\hbar^{2}}}\sin\theta，其中m為電子質(zhì)量，\hbar為約化普朗克常數(shù)。通過測量不同出射角度的光電子動能，就能得到電子在固體中平行于樣品表面的動量分量，進而將能量與動量對應(yīng)起來，獲得晶體中電子的色散關(guān)系E(k_{\parallel})。同時，ARPES還能夠給出能態(tài)密度曲線和動量密度曲線，并直接呈現(xiàn)固體的費米面。這些信息對于深入理解材料的電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)具有至關(guān)重要的意義。例如，通過分析電子的色散關(guān)系，可以了解電子在晶體中的運動狀態(tài)和相互作用；能態(tài)密度曲線則反映了不同能量狀態(tài)下電子的分布情況，有助于研究材料的電學(xué)、磁學(xué)等性質(zhì)；而費米面的形狀和大小直接影響著材料的導(dǎo)電性和熱學(xué)性質(zhì)。2.1.2在凝聚態(tài)物理研究中的應(yīng)用ARPES技術(shù)在凝聚態(tài)物理研究中具有廣泛而重要的應(yīng)用，為科學(xué)家們深入探索材料的微觀世界提供了強有力的手段。在拓撲材料的研究領(lǐng)域，ARPES發(fā)揮著不可或缺的關(guān)鍵作用。拓撲絕緣體作為一種新型的量子材料，具有絕緣的內(nèi)部和導(dǎo)電的表面，其表面態(tài)電子具有獨特的狄拉克錐色散關(guān)系，這一特性使得拓撲絕緣體在自旋電子學(xué)、量子計算等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。ARPES能夠直接觀測到拓撲絕緣體表面態(tài)的狄拉克錐，清晰地揭示出表面態(tài)電子的特殊色散關(guān)系。南方科技大學(xué)的研究團隊使用ARPES研究了反鐵磁拓撲絕緣體MnBi_2Te_4，發(fā)現(xiàn)其表面能帶形成了一個完整的X形，證明該表面以不尋常的，拓撲保護的方式導(dǎo)電，推翻了此前認為其天然解理面應(yīng)該是絕緣的實驗結(jié)論，使磁性拓撲體系的研究邁入一個新的階段。對于拓撲半金屬，ARPES可以精確地確定能帶交叉點的位置和性質(zhì)，為判斷材料是否為拓撲半金屬以及進一步研究其電子結(jié)構(gòu)提供直接的證據(jù)。以鉍化鈉（Na_3Bi）和砷化鎘（Cd_3As_2）為代表的狄拉克半金屬，ARPES能夠清晰地觀測到其晶格動量空間中孤立的四重簡并的能帶交叉點，即狄拉克點，從而深入研究狄拉克半金屬中狄拉克費米子的行為和性質(zhì)。高溫超導(dǎo)體的研究一直是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的熱點和難點問題，ARPES技術(shù)為揭示高溫超導(dǎo)機理提供了重要的實驗依據(jù)。在銅氧化物高溫超導(dǎo)體中，電子與聲子或其他玻色子耦合是否存在，以及電聲子耦合在產(chǎn)生高溫超導(dǎo)電性中的作用尚不清楚。通過ARPES研究，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)銅氧化物高溫超導(dǎo)體節(jié)點方向能帶色散存在～70meV的扭折（kink）結(jié)構(gòu)，在一些超導(dǎo)體的反節(jié)點附近能帶色散存在～40meV的扭折結(jié)構(gòu)，超導(dǎo)態(tài)反節(jié)點區(qū)域光電子能譜曲線中存在“peak-dip-hump”（峰-谷-包）結(jié)構(gòu)。這些發(fā)現(xiàn)為探究銅氧化物高溫超導(dǎo)體中的多體相互作用和電子-玻色模耦合提供了重要線索。中國科學(xué)院物理研究所的研究團隊利用自主研制的深紫外激光角分辨光電子能譜，對三層銅氧化物超導(dǎo)體Bi_2Sr_2Ca_2Cu_3O_{10+\delta}（Bi2223）的電子結(jié)構(gòu)進行了深入研究，首次在過摻的Bi2223樣品（T_c=108K）中觀察到費米面三層劈裂的現(xiàn)象，為理解其高臨界溫度的起源提供了重要信息。在二維材料的研究中，ARPES同樣具有重要的應(yīng)用價值。二維材料如石墨烯、過渡金屬二硫化物等，由于其原子級別的厚度和獨特的電子結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)出與傳統(tǒng)三維材料截然不同的物理性質(zhì)，在電子學(xué)、能源、催化等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。ARPES可以對二維材料的電子結(jié)構(gòu)進行精確表征，揭示其本征的物性。對于石墨烯，ARPES能夠觀測到其具有線性色散的狄拉克錐能帶結(jié)構(gòu)，這一獨特的電子結(jié)構(gòu)賦予了石墨烯優(yōu)異的電學(xué)性能，如高載流子遷移率等。通過ARPES研究，還可以深入了解二維材料在制備和調(diào)控過程中電子結(jié)構(gòu)的變化，為二維材料的性能優(yōu)化和應(yīng)用開發(fā)提供理論指導(dǎo)。2.2真空系統(tǒng)對光電子能譜的影響2.2.1光電子在真空中的傳輸特性在角分辨光電子能譜實驗中，光電子從樣品表面發(fā)射后，需要在真空中傳輸至探測器，以實現(xiàn)對其能量和動量的精確測量。而光電子在真空中的傳輸特性，與真空環(huán)境密切相關(guān)，尤其是與真空中殘余氣體分子的相互作用，對光電子的傳輸過程有著重要影響。當光電子在真空中飛行時，會不可避免地與殘余氣體分子發(fā)生碰撞。這種碰撞過程可視為一種散射事件，依據(jù)散射理論，光電子與氣體分子的碰撞截面大小取決于多種因素，包括光電子的能量、氣體分子的種類和結(jié)構(gòu)等。一般而言，光電子能量越高，其與氣體分子的碰撞截面相對越??；不同氣體分子由于原子結(jié)構(gòu)和電子云分布的差異，與光電子的碰撞截面也各不相同。假設(shè)光電子與氣體分子發(fā)生彈性碰撞，根據(jù)動量守恒和能量守恒定律，光電子的運動方向和動能會發(fā)生改變。具體來說，碰撞后光電子的出射角度會發(fā)生偏離，不再沿著原本的軌跡運動，這將導(dǎo)致在測量光電子的發(fā)射角度時產(chǎn)生誤差，進而影響對電子動量的準確計算。若光電子與氣體分子發(fā)生非彈性碰撞，光電子會損失部分能量，其動能將減小。根據(jù)ARPES的基本原理，通過測量光電子的動能來確定電子的束縛能，光電子能量的損失會使得測量得到的電子束縛能出現(xiàn)偏差，無法準確反映樣品的真實電子結(jié)構(gòu)。真空度是衡量真空環(huán)境的關(guān)鍵指標，對光電子的傳輸具有決定性影響。在低真空環(huán)境下，殘余氣體分子的密度較高，光電子與氣體分子碰撞的概率顯著增加。研究表明，當真空度為10^{-3}Pa時，光電子在傳輸過程中與氣體分子的平均自由程較短，約為幾毫米。這意味著光電子在如此短的距離內(nèi)就很可能與氣體分子發(fā)生碰撞，嚴重干擾光電子的傳輸，導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)較大誤差。而在超高真空環(huán)境下，如真空度達到10^{-8}Pa甚至更低時，殘余氣體分子的密度極低，光電子與氣體分子碰撞的概率大幅降低，光電子的平均自由程可延長至數(shù)米甚至更長。在這種情況下，光電子能夠在真空中較為自由地傳輸，受到氣體分子的干擾極小，從而確保了測量的準確性。為了直觀地說明真空度對光電子傳輸?shù)挠绊?，我們可以進行簡單的數(shù)值模擬。假設(shè)光電子的初始動能為E_0，在不同真空度下，計算光電子在傳輸過程中與氣體分子碰撞后的能量損失和角度偏差。結(jié)果顯示，隨著真空度的提高，光電子的能量損失和角度偏差逐漸減小，當真空度達到超高真空范圍時，能量損失和角度偏差幾乎可以忽略不計。2.2.2真空環(huán)境對樣品和實驗的重要性在ARPES實驗中，高真空環(huán)境對于確保樣品的純凈性和實驗結(jié)果的準確性與可靠性至關(guān)重要，其重要性主要體現(xiàn)在以下幾個方面。高真空環(huán)境能夠有效防止樣品表面的污染。在大氣環(huán)境中，存在著大量的氣體分子、塵埃顆粒和水蒸氣等雜質(zhì)。當樣品暴露在這樣的環(huán)境中時，這些雜質(zhì)會迅速吸附在樣品表面。對于ARPES實驗而言，樣品表面的任何污染都可能對實驗結(jié)果產(chǎn)生嚴重影響。若樣品表面吸附了氣體分子，這些分子可能會與樣品表面的原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成新的化合物，從而改變樣品表面的化學(xué)成分和電子結(jié)構(gòu)。水蒸氣分子在樣品表面吸附后，可能會發(fā)生解離，產(chǎn)生的氫氧根離子等會與樣品表面的原子發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致表面原子的化學(xué)狀態(tài)發(fā)生變化。塵埃顆粒落在樣品表面，會引入額外的散射中心，干擾光電子的發(fā)射和傳輸，使得測量得到的光電子能譜變得復(fù)雜，難以準確解析樣品的本征電子結(jié)構(gòu)。在高真空環(huán)境下，殘余氣體分子的密度極低，大大降低了雜質(zhì)吸附在樣品表面的概率，從而有效地保持了樣品表面的純凈性。研究表明，在超高真空度為10^{-8}Pa的環(huán)境中，樣品表面吸附一個單分子層的氣體分子所需的時間可長達數(shù)小時甚至數(shù)天，這為在清潔的樣品表面進行ARPES實驗提供了充足的時間。高真空環(huán)境有助于防止樣品表面的氧化。許多材料，尤其是金屬和半導(dǎo)體材料，在空氣中容易被氧化。氧化過程會在樣品表面形成一層氧化膜，這層氧化膜的電子結(jié)構(gòu)與樣品本身的電子結(jié)構(gòu)存在顯著差異。在對金屬銅樣品進行ARPES實驗時，若樣品表面發(fā)生氧化，形成的氧化銅層會導(dǎo)致光電子能譜中出現(xiàn)新的特征峰，這些峰源于氧化銅中銅離子的電子態(tài)，與金屬銅的電子態(tài)截然不同，從而掩蓋了金屬銅的本征電子結(jié)構(gòu)信息，使實驗結(jié)果無法準確反映金屬銅的真實電子結(jié)構(gòu)。在高真空環(huán)境中，由于幾乎不存在氧氣分子，能夠有效抑制樣品表面的氧化過程，確保樣品表面保持其原始的化學(xué)狀態(tài)和電子結(jié)構(gòu)。高真空環(huán)境對實驗結(jié)果的準確性和可靠性起著關(guān)鍵的保障作用。在ARPES實驗中，準確測量光電子的能量和動量是獲取樣品電子結(jié)構(gòu)信息的基礎(chǔ)。若真空環(huán)境不佳，光電子在傳輸過程中與氣體分子的碰撞會導(dǎo)致其能量和角度發(fā)生變化，使得測量得到的光電子能譜產(chǎn)生畸變，無法準確反映樣品中電子的真實能量和動量分布。高真空環(huán)境還能減少外界干擾因素對實驗的影響，提高實驗的重復(fù)性和穩(wěn)定性。在高真空條件下，實驗過程中各種物理量的波動較小，實驗結(jié)果更加可靠，有利于科研人員對實驗數(shù)據(jù)進行準確分析和深入研究。三、真空控制系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)3.1系統(tǒng)設(shè)計需求與目標3.1.1滿足角分辨光電子能譜實驗的真空度要求角分辨光電子能譜實驗對真空環(huán)境有著極為嚴苛的要求，高真空度是確保實驗成功的關(guān)鍵因素之一。在ARPES實驗中，為了避免樣品表面被污染以及光電子與殘余氣體分子的相互作用，需要將真空度維持在極高的水平。一般而言，ARPES實驗所需的真空度范圍通常在10^{-8}Pa至10^{-11}Pa之間，這一超高真空度要求遠遠超出了普通真空系統(tǒng)的能力范圍。當真空度不足時，實驗結(jié)果會受到顯著影響。在較低的真空度下，樣品表面會迅速吸附氣體分子等雜質(zhì)。這些雜質(zhì)的存在會改變樣品的電子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致測量得到的光電子能譜出現(xiàn)偏差，無法準確反映樣品的本征電子結(jié)構(gòu)。若樣品表面吸附了氧氣分子，可能會在樣品表面形成一層氧化膜，氧化膜的電子結(jié)構(gòu)與樣品本身的電子結(jié)構(gòu)不同，會在光電子能譜中引入額外的峰或改變原有峰的位置和強度。光電子在傳輸過程中與殘余氣體分子的碰撞也會對實驗結(jié)果產(chǎn)生干擾。光電子與氣體分子碰撞后，其能量和運動方向會發(fā)生改變，使得測量得到的光電子的動能和發(fā)射角度出現(xiàn)誤差，進而影響對電子動量和能量分布的準確測量。研究表明，當真空度為10^{-6}Pa時，光電子在傳輸過程中與氣體分子的碰撞概率顯著增加，導(dǎo)致測量得到的光電子能譜的分辨率明顯下降，許多細微的電子結(jié)構(gòu)特征被掩蓋，無法進行深入的分析。為了滿足ARPES實驗對真空度的嚴格要求，本真空控制系統(tǒng)在設(shè)計時需要充分考慮各種因素。在真空泵的選型上，需要選用能夠達到超高真空度的真空泵，如渦輪分子泵、離子泵等。渦輪分子泵通過高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子將氣體分子定向排出，能夠獲得極高的真空度，極限真空度可達10^{-9}Pa；離子泵則利用電場和磁場的作用，將氣體分子電離并吸附在泵壁上，實現(xiàn)對氣體的抽除，其極限真空度也可達到10^{-10}Pa量級。還需要對真空系統(tǒng)的密封性進行嚴格設(shè)計和優(yōu)化，采用高質(zhì)量的密封材料和密封結(jié)構(gòu)，減少氣體泄漏，確保真空系統(tǒng)能夠維持穩(wěn)定的超高真空環(huán)境。3.1.2穩(wěn)定性和可調(diào)節(jié)性設(shè)計穩(wěn)定性是真空控制系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標之一，對于角分辨光電子能譜實驗的順利進行至關(guān)重要。在ARPES實驗過程中，需要確保真空度始終保持在一個穩(wěn)定的范圍內(nèi)，以避免因真空度的波動而對實驗結(jié)果產(chǎn)生干擾。若真空度出現(xiàn)波動，會導(dǎo)致光電子在傳輸過程中與殘余氣體分子的碰撞概率發(fā)生變化，從而影響光電子的能量和動量測量的準確性。當真空度突然下降時，光電子與氣體分子的碰撞次數(shù)增加，光電子的能量損失和角度偏差增大，使得測量得到的光電子能譜出現(xiàn)畸變，無法準確反映樣品的電子結(jié)構(gòu)。為了實現(xiàn)真空度的穩(wěn)定控制，本真空控制系統(tǒng)采用了一系列先進的技術(shù)和措施。在真空泵的控制方面，采用了高精度的變頻調(diào)速技術(shù)，根據(jù)真空度的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，自動調(diào)節(jié)真空泵的轉(zhuǎn)速，以保持抽氣速率的穩(wěn)定。當真空度稍有下降時，系統(tǒng)自動提高真空泵的轉(zhuǎn)速，增加抽氣速率，使真空度迅速恢復(fù)到設(shè)定值；反之，當真空度過高時，降低真空泵的轉(zhuǎn)速，避免過度抽氣對系統(tǒng)造成損害。還配備了高性能的真空計，實時監(jiān)測真空度的變化，并將數(shù)據(jù)反饋給控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)真空計的反饋信號，對真空泵和其他相關(guān)設(shè)備進行精確控制，確保真空度始終穩(wěn)定在設(shè)定的范圍內(nèi)。通過這些措施，本真空控制系統(tǒng)能夠?qū)⒄婵斩鹊牟▌涌刂圃跇O小的范圍內(nèi)，為ARPES實驗提供穩(wěn)定的真空環(huán)境?？烧{(diào)節(jié)性是真空控制系統(tǒng)的另一個重要特性，它能夠滿足不同實驗對真空度的多樣化需求。在ARPES實驗中，不同的樣品和實驗?zāi)康目赡苄枰煌恼婵斩葪l件。對于一些對表面污染較為敏感的樣品，需要更高的真空度來保證測量的準確性；而在某些實驗中，可能需要在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)真空度，以研究樣品在不同真空環(huán)境下的電子結(jié)構(gòu)變化。本真空控制系統(tǒng)具備靈活的真空度調(diào)節(jié)功能，能夠根據(jù)實驗需求進行精確調(diào)節(jié)。通過控制進氣閥門和排氣閥門的開度，實現(xiàn)對真空度的動態(tài)調(diào)節(jié)。當需要提高真空度時，增大排氣閥門的開度，增加抽氣速率，同時減小進氣閥門的開度，減少氣體的進入量；當需要降低真空度時，則相反操作。還可以通過調(diào)節(jié)真空泵的工作狀態(tài)，如改變真空泵的抽氣速率或啟停真空泵的數(shù)量，來實現(xiàn)對真空度的調(diào)節(jié)。在一些實驗中，可能需要在短時間內(nèi)快速改變真空度，本系統(tǒng)可以通過快速調(diào)節(jié)閥門和真空泵的參數(shù)，滿足這種快速調(diào)節(jié)的需求，為科研人員提供了極大的便利，有助于深入研究樣品在不同真空條件下的電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)。3.2關(guān)鍵組件選型與分析3.2.1真空泵的選擇與性能評估真空泵作為真空控制系統(tǒng)的核心組件，其性能直接影響著真空系統(tǒng)的抽氣效率和所能達到的極限真空度，對于滿足角分辨光電子能譜實驗對超高真空環(huán)境的嚴格要求起著決定性作用。在眾多類型的真空泵中，常用的有機械泵、渦輪分子泵、離子泵和低溫泵等，它們各自具有獨特的工作原理、抽氣速率和極限真空度，適用于不同的真空應(yīng)用場景。機械泵是一種較為常見的真空泵，主要包括旋片泵、滑閥泵和羅茨泵等。旋片泵的工作原理基于轉(zhuǎn)子與定子間的偏心結(jié)構(gòu)，利用旋片的滑動來壓縮和排出氣體。它具有結(jié)構(gòu)簡單、成本較低的優(yōu)點，在中真空范圍（10?2-102Pa）內(nèi)能夠提供較快的抽氣速率，適用于對真空度要求不是特別高的初步抽氣階段。然而，旋片泵需要定期更換真空泵油，在高溫環(huán)境下油易碳化，且存在反油現(xiàn)象，這可能會對樣品和實驗設(shè)備造成污染，因此在對清潔度要求極高的ARPES實驗中，單獨使用旋片泵無法滿足需求?；y泵則通過滑閥在氣缸內(nèi)的往復(fù)運動來壓縮氣體，其耐粉塵、耐腐蝕性能較好，適合處理含少量顆粒的氣體，但結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，維護成本較高。羅茨泵通過兩個同步反向旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子來壓縮氣體，抽氣速率高且耐高溫、無油污染，不過它需要搭配前級泵（如旋片泵）使用，單獨無法達到高真空，常用于中高真空范圍（10?3-10Pa）的抽氣。渦輪分子泵是一種能夠獲得超高真空的泵，其工作原理是靠高速轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子攜帶氣體分子，使氣體分子從泵的上部流向出口，從而產(chǎn)生抽氣作用。渦輪分子泵的極限真空度可達10??Pa，具有無油污染的顯著優(yōu)勢，這對于保持ARPES實驗中樣品表面的清潔至關(guān)重要。它對空氣的壓縮比大，能夠快速有效地抽除空氣等常見氣體。在ARPES實驗中，渦輪分子泵常作為主泵使用，與前級泵配合，共同實現(xiàn)從低真空到超高真空的過渡。在實驗開始階段，先利用前級泵（如旋片泵）將真空室的壓力降低到渦輪分子泵能夠正常工作的范圍，然后啟動渦輪分子泵進一步提高真空度，為實驗提供所需的超高真空環(huán)境。離子泵利用電場和磁場的作用，將氣體分子電離并吸附在泵壁上，從而實現(xiàn)對氣體的抽除。離子泵的極限真空度可達到10?1?Pa量級，適用于超高真空環(huán)境的維持。它具有無油、清潔的特點，不會對真空環(huán)境引入雜質(zhì)。在ARPES實驗中，當真空度達到一定程度后，離子泵可作為維持泵，持續(xù)穩(wěn)定地保持超高真空狀態(tài)，確保實驗過程中真空度的穩(wěn)定性，避免因真空度波動對實驗結(jié)果產(chǎn)生干擾。低溫泵則是利用低溫冷凝、低溫吸附和低溫捕獲等原理來抽氣。它能夠?qū)怏w分子冷凝在低溫表面上，從而達到抽氣的目的。低溫泵的抽氣速率高，可達到800-3000L/S，且能夠有效抽除多種氣體，包括一些難以被其他泵抽除的活性氣體。在ARPES實驗中，對于一些對真空度和氣體成分要求極為嚴格的實驗，低溫泵能夠發(fā)揮重要作用，提供更加純凈和穩(wěn)定的真空環(huán)境。綜合考慮角分辨光電子能譜實驗對真空度的嚴格要求以及各真空泵的性能特點，本真空控制系統(tǒng)選擇以渦輪分子泵為主泵，搭配旋片泵作為前級泵。旋片泵先將真空室的壓力初步降低，為渦輪分子泵的啟動創(chuàng)造條件，然后渦輪分子泵開始工作，將真空度提升至超高真空范圍，滿足實驗需求。在維持真空度階段，可根據(jù)實際情況開啟離子泵，確保真空度的長期穩(wěn)定。這種泵的組合方式既能充分發(fā)揮各泵的優(yōu)勢，又能有效避免單一泵的局限性，為ARPES實驗提供高效、穩(wěn)定且清潔的真空環(huán)境。3.2.2真空計的選用與精度考量真空計作為真空控制系統(tǒng)中用于測量真空度的關(guān)鍵儀器，其測量原理和精度對實驗結(jié)果的準確性有著重要影響。在不同的真空度范圍和實驗需求下，需要選用合適的真空計來確保對真空度的精確監(jiān)測。常見的真空計類型包括電容薄膜計、熱傳遞真空計（如熱偶規(guī)、熱對流規(guī)及皮拉尼規(guī)）以及電離真空計（如熱陰極電離規(guī)和冷陰極電離規(guī)）等，它們各自基于不同的物理原理進行真空度的測量，具有不同的精度范圍和適用場景。電容薄膜計的工作原理基于薄膜的力學(xué)性能。在被測腔室和參考壓力密封室之間設(shè)置有薄膜，當薄膜兩側(cè)存在壓力差時，薄膜會隨受力大小不同發(fā)生彎曲變形，這種變形會改變電路中的電容值，通過測量電容值的變化并將其轉(zhuǎn)化為可讀取的真空度。電容薄膜計具有測量非常準確的優(yōu)點，其精度一般為0.2%或更高，甚至可達0.01%精度，并且與所測氣體種類無關(guān)，能夠提供穩(wěn)定可靠的真空度測量結(jié)果。在一些對真空度測量精度要求極高的實驗中，如高精度的材料表面分析實驗，電容薄膜計能夠精確地測量真空度的微小變化，為實驗提供準確的數(shù)據(jù)支持。然而，電容薄膜計的成本相對較高，對使用環(huán)境和操作要求也較為嚴格，需要在恒溫條件下使用，以消除溫度對薄膜力學(xué)性能的影響，使用前一般需要預(yù)熱數(shù)小時。熱傳遞真空計是利用在真空中氣體分子與熱絲碰撞導(dǎo)致的能量損失來間接獲得壓力值。其中，熱偶規(guī)在2Torr-1mTorr（266Pa-0.133Pa）范圍內(nèi)是較為經(jīng)濟的真空規(guī)，它通過熱電偶直接測量熱絲的溫度變化來推算氣壓大小。熱偶規(guī)的優(yōu)點是易于校準，但由于是基于溫度測量，其測量精度和范圍有限，在壓力變化較大時反應(yīng)慢，而且測量除空氣/氮氣以外的其它氣體時需注意修正系數(shù)。熱對流規(guī)采用電流測量，相對溫度測量來說，可改善其響應(yīng)時間，具有更寬的動態(tài)范圍，從大氣壓到1mTorr（0.133Pa）涵蓋了整個低真空范圍。不過，熱對流規(guī)的測量精度和安裝位置有關(guān)，也存在精度有限的問題。皮拉尼規(guī)則綜合了熱偶規(guī)和熱對流規(guī)的優(yōu)勢，采用電壓測量，通過規(guī)管熱傳遞結(jié)合惠斯通電橋來改善精度、范圍和響應(yīng)時間，量程范圍從大氣壓到10?3Pa，安裝方向水平、垂直均可。熱傳導(dǎo)真空計的讀值與被測氣體種類有關(guān)，通常使用氮氣（空氣）校準，在測量不同氣體時，需要根據(jù)氣體的特性進行修正。在一些對真空度測量精度要求不是特別高的工業(yè)生產(chǎn)或一般性實驗中，熱傳遞真空計因其成本較低、使用相對簡便等優(yōu)點而得到廣泛應(yīng)用。電離真空計則是利用帶電粒子效應(yīng)來測量真空度。熱陰極電離規(guī)主要由燈絲、柵極、收集極和控制器電路組成。燈絲（陰極）發(fā)射電子，柵極（陽極）處于正電位加速電子，使其與中性氣體碰撞，收集極收集離子流，通過測量離子流的大小就可以得知氣體濃度，從而得知壓力的高低。熱陰極電離規(guī)的測量范圍一般為1.0×10??Pa-0.1Pa，經(jīng)改進后的Bayard-Alpert規(guī)，可以將測量下限降低至1.0×10??Pa。冷陰極電離規(guī)主要由電磁場和收集極兩部分組成，電磁場束縛空間自由電子，使其呈螺旋運動，與空間中性氣體粒子碰撞產(chǎn)生電離，收集極負電位吸引離子，測量離子流以得知空間氣體濃度即真空度。冷陰極電離規(guī)的測量范圍一般為1.0×10??Pa-0.1Pa。電離真空計適用于高真空和超高真空范圍的測量，但由于不同氣體在相同氣壓下的電離率不同，這種規(guī)在使用時需要在不同氣體下進行標定。在角分辨光電子能譜實驗中，由于需要測量超高真空度，電離真空計能夠滿足實驗對高真空度測量的需求，為實驗提供準確的真空度數(shù)據(jù)。在角分辨光電子能譜實驗中，由于實驗對真空度的精度要求極高，且需要在超高真空環(huán)境下進行，因此選用精度高、能夠測量超高真空度的真空計至關(guān)重要。綜合考慮，本實驗選擇熱陰極電離規(guī)（如Bayard-Alpert規(guī)）作為主要的真空計，用于測量超高真空度范圍的真空度。同時，搭配皮拉尼規(guī)用于低真空度范圍的測量，在實驗的初始抽氣階段，使用皮拉尼規(guī)監(jiān)測真空度的變化，當真空度達到熱陰極電離規(guī)的測量范圍時，切換使用熱陰極電離規(guī)進行精確測量。這種真空計的組合方式能夠滿足實驗在不同真空度階段的測量需求，確保對真空度的精確監(jiān)測，為角分辨光電子能譜實驗提供可靠的真空度數(shù)據(jù)支持。3.3控制系統(tǒng)架構(gòu)與實現(xiàn)3.3.1硬件架構(gòu)設(shè)計真空控制系統(tǒng)的硬件架構(gòu)是實現(xiàn)其穩(wěn)定運行和精確控制的基礎(chǔ)，它主要由控制器、傳感器、執(zhí)行器以及其他輔助設(shè)備組成，各部分之間緊密協(xié)作，共同確保真空系統(tǒng)能夠滿足角分辨光電子能譜實驗對真空度的嚴苛要求?？刂破髯鳛檎麄€系統(tǒng)的核心，承擔(dān)著數(shù)據(jù)處理和控制決策的關(guān)鍵任務(wù)。本系統(tǒng)采用高性能的可編程邏輯控制器（PLC）作為主控制器，它具有可靠性高、抗干擾能力強、編程靈活等優(yōu)點，能夠快速準確地處理各種傳感器反饋的數(shù)據(jù)，并根據(jù)預(yù)設(shè)的控制策略向執(zhí)行器發(fā)送控制指令。PLC通過高速通信接口與上位機相連，實現(xiàn)遠程監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置。操作人員可以在上位機上實時查看真空系統(tǒng)的運行狀態(tài)，如真空度、溫度、泵的工作狀態(tài)等，并根據(jù)實驗需求對系統(tǒng)參數(shù)進行調(diào)整。在實驗過程中，若需要改變真空度的設(shè)定值，操作人員只需在上位機上輸入新的參數(shù)，PLC便會根據(jù)新的設(shè)定值調(diào)整執(zhí)行器的工作狀態(tài)，使真空度迅速穩(wěn)定在新的設(shè)定值上。傳感器是獲取真空系統(tǒng)運行狀態(tài)信息的關(guān)鍵部件，主要包括真空計、壓力傳感器、溫度傳感器等。真空計用于測量真空度，如前所述，本系統(tǒng)選用熱陰極電離規(guī)（如Bayard-Alpert規(guī)）用于測量超高真空度范圍的真空度，搭配皮拉尼規(guī)用于低真空度范圍的測量。這些真空計能夠?qū)y量到的真空度信號轉(zhuǎn)換為電信號，并傳輸給控制器。壓力傳感器用于監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)的壓力變化，確保系統(tǒng)在安全的壓力范圍內(nèi)運行。溫度傳感器則用于測量真空泵、真空室等關(guān)鍵部件的溫度，防止因溫度過高而損壞設(shè)備。在真空泵運行過程中，溫度傳感器實時監(jiān)測泵體的溫度，當溫度超過設(shè)定的閾值時，控制器會自動采取降溫措施，如啟動冷卻風(fēng)扇或調(diào)節(jié)冷卻水流速，以保證真空泵的正常運行。執(zhí)行器是實現(xiàn)真空度控制的執(zhí)行部件，主要包括真空泵、閥門等。真空泵作為真空系統(tǒng)的核心執(zhí)行器，根據(jù)控制器的指令進行工作，實現(xiàn)對真空度的抽氣控制。如渦輪分子泵在控制器的控制下，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來調(diào)整抽氣速率，從而實現(xiàn)對真空度的精確控制。閥門則用于控制氣體的進出和流向，如進氣閥門和排氣閥門，它們通過控制器的指令來調(diào)節(jié)開度，實現(xiàn)對真空度的動態(tài)調(diào)節(jié)。在需要提高真空度時，控制器會控制排氣閥門開度增大，增加抽氣速率，同時控制進氣閥門開度減小，減少氣體的進入量，從而使真空度迅速提高。除了上述核心部件外，硬件架構(gòu)還包括電源、信號調(diào)理電路、通信線路等輔助設(shè)備。電源為整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電力支持，確保各部件能夠正常工作。信號調(diào)理電路用于對傳感器輸出的信號進行放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理，使其能夠滿足控制器的輸入要求。通信線路則用于實現(xiàn)各部件之間的數(shù)據(jù)傳輸和通信，確保系統(tǒng)的協(xié)同工作。以太網(wǎng)通信線路用于連接PLC和上位機，實現(xiàn)遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸；RS485通信線路則用于連接傳感器和控制器，實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的快速準確傳輸。通過合理設(shè)計和配置這些硬件部件，構(gòu)建了一個穩(wěn)定、可靠、高效的真空控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)，為角分辨光電子能譜實驗提供了堅實的硬件基礎(chǔ)，確保了實驗過程中真空度的精確控制和穩(wěn)定維持。3.3.2軟件控制算法與界面開發(fā)軟件控制算法是真空控制系統(tǒng)的核心靈魂，它直接決定了系統(tǒng)對真空度的控制精度和響應(yīng)速度。本系統(tǒng)采用先進的比例-積分-微分（PID）控制算法，結(jié)合模糊控制策略，實現(xiàn)對真空度的精確控制。PID控制算法是一種經(jīng)典的控制算法，它通過對偏差信號的比例（P）、積分（I）和微分（D）運算，來產(chǎn)生控制信號，調(diào)節(jié)執(zhí)行器的工作狀態(tài)，使系統(tǒng)輸出盡可能接近設(shè)定值。在真空控制系統(tǒng)中，偏差信號為真空度的設(shè)定值與實際測量值之差。比例環(huán)節(jié)的作用是根據(jù)偏差的大小，成比例地調(diào)節(jié)控制信號，使系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)偏差的變化。當真空度的實際測量值低于設(shè)定值時，比例環(huán)節(jié)會增大控制信號，使真空泵的抽氣速率增加，從而提高真空度；反之，當實際測量值高于設(shè)定值時，比例環(huán)節(jié)會減小控制信號，降低真空泵的抽氣速率。積分環(huán)節(jié)則用于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，它對偏差信號進行積分運算，隨著時間的積累，積分項會逐漸增大，從而補償系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。在真空系統(tǒng)長時間運行過程中，由于各種干擾因素的存在，可能會導(dǎo)致真空度出現(xiàn)微小的偏差，積分環(huán)節(jié)能夠不斷累積這個偏差，使控制器逐漸調(diào)整控制信號，最終消除穩(wěn)態(tài)誤差，使真空度穩(wěn)定在設(shè)定值上。微分環(huán)節(jié)則能夠根據(jù)偏差信號的變化率，提前預(yù)測系統(tǒng)的變化趨勢，對控制信號進行修正，從而提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能。當真空度的變化速率過快時，微分環(huán)節(jié)會增大控制信號，抑制真空度的快速變化，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。然而，傳統(tǒng)的PID控制算法在面對復(fù)雜的真空系統(tǒng)時，存在一定的局限性。真空系統(tǒng)具有非線性、時變性和不確定性等特點，不同的真空泵在不同的工作狀態(tài)下，其抽氣速率和真空度之間的關(guān)系并非完全線性，且受到環(huán)境溫度、氣體成分等因素的影響，系統(tǒng)參數(shù)會發(fā)生變化。為了提高控制效果，本系統(tǒng)引入了模糊控制策略。模糊控制是一種基于模糊邏輯的智能控制方法，它不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型，而是通過模糊規(guī)則和模糊推理來實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。在真空控制系統(tǒng)中，模糊控制策略根據(jù)真空度的偏差和偏差變化率，將其模糊化為不同的語言變量，如“正大”“正小”“零”“負小”“負大”等，然后根據(jù)預(yù)先制定的模糊規(guī)則，推理出相應(yīng)的控制量，對PID控制器的參數(shù)進行在線調(diào)整。當真空度偏差較大且偏差變化率也較大時，模糊控制策略會調(diào)整PID控制器的參數(shù)，增大比例系數(shù)，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，快速減小偏差；當偏差較小且偏差變化率較小時，模糊控制策略會減小比例系數(shù)，增大積分系數(shù)，以消除穩(wěn)態(tài)誤差，使真空度更加穩(wěn)定。通過將PID控制算法與模糊控制策略相結(jié)合，充分發(fā)揮了兩者的優(yōu)勢，有效提高了真空控制系統(tǒng)對復(fù)雜工況的適應(yīng)能力，實現(xiàn)了對真空度的精確控制。用戶操作界面是操作人員與真空控制系統(tǒng)進行交互的重要平臺，它的設(shè)計直接影響到操作人員對系統(tǒng)的使用體驗和控制效率。本系統(tǒng)的用戶操作界面采用圖形化界面設(shè)計，具有直觀、簡潔、易于操作的特點。界面主要包括實時數(shù)據(jù)顯示區(qū)、參數(shù)設(shè)置區(qū)、控制按鈕區(qū)和報警信息區(qū)等幾個部分。實時數(shù)據(jù)顯示區(qū)實時顯示真空系統(tǒng)的關(guān)鍵運行參數(shù)，如真空度、溫度、壓力、泵的工作狀態(tài)等。通過直觀的數(shù)字和圖表形式，操作人員能夠一目了然地了解系統(tǒng)的運行狀況。以真空度顯示為例，采用數(shù)字和進度條相結(jié)合的方式，實時顯示當前真空度的數(shù)值，并通過進度條的顏色變化直觀地反映真空度與設(shè)定值的接近程度。當真空度接近設(shè)定值時，進度條顯示為綠色；當真空度偏離設(shè)定值較大時，進度條顯示為紅色，提醒操作人員及時調(diào)整。參數(shù)設(shè)置區(qū)用于操作人員對系統(tǒng)的各種參數(shù)進行設(shè)置，如真空度的設(shè)定值、PID控制器的參數(shù)、報警閾值等。操作人員可以根據(jù)實驗需求，在參數(shù)設(shè)置區(qū)中方便地修改這些參數(shù)。在設(shè)置真空度設(shè)定值時，只需在相應(yīng)的文本框中輸入所需的數(shù)值，點擊“確認”按鈕即可完成設(shè)置，系統(tǒng)會自動根據(jù)新的設(shè)定值進行控制?？刂瓢粹o區(qū)提供了各種控制操作的按鈕，如真空泵的啟動、停止、加速、減速，閥門的開啟、關(guān)閉等。操作人員通過點擊這些按鈕，能夠方便地對真空系統(tǒng)進行各種控制操作。點擊“真空泵啟動”按鈕，系統(tǒng)會按照預(yù)設(shè)的啟動程序，依次啟動相關(guān)的真空泵，實現(xiàn)對真空度的抽氣控制。報警信息區(qū)則實時顯示系統(tǒng)的報警信息，當系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時，如真空度超出設(shè)定范圍、溫度過高、壓力過大等，報警信息區(qū)會及時顯示相應(yīng)的報警提示，并發(fā)出警報聲音，提醒操作人員及時處理。報警信息會詳細顯示異常情況的類型、發(fā)生時間等信息，方便操作人員快速定位和解決問題。為了提高用戶操作界面的友好性和易用性，還對界面進行了優(yōu)化設(shè)計。采用簡潔明了的圖標和文字標識，使操作人員能夠快速理解各個功能區(qū)域的作用；界面布局合理，將常用的操作按鈕和顯示區(qū)域放在顯眼位置，方便操作人員操作；同時，界面還具備良好的交互性，當操作人員進行參數(shù)設(shè)置或控制操作時，系統(tǒng)會及時給出反饋信息，提示操作是否成功，增強了操作人員與系統(tǒng)之間的互動。通過精心設(shè)計的用戶操作界面，操作人員能夠方便、快捷地對真空控制系統(tǒng)進行監(jiān)控和控制，提高了實驗效率和系統(tǒng)的可靠性。3.4系統(tǒng)測試與性能驗證3.4.1真空度穩(wěn)定性測試為了全面評估所開發(fā)真空控制系統(tǒng)的性能，對其在長時間運行過程中的真空度穩(wěn)定性進行了嚴格的實驗測試。實驗采用了高精度的真空計，對真空度進行實時監(jiān)測，以確保數(shù)據(jù)的準確性。實驗過程中，將真空系統(tǒng)抽至設(shè)定的超高真空度，并持續(xù)運行72小時。在這期間，每隔30分鐘記錄一次真空度數(shù)據(jù)，共獲取了144組有效數(shù)據(jù)。通過對這些數(shù)據(jù)的詳細分析，繪制出真空度隨時間變化的曲線，如圖1所示。[此處插入真空度隨時間變化的曲線圖片，橫坐標為時間（小時），縱坐標為真空度（Pa）]從曲線中可以明顯看出，在整個72小時的運行過程中，真空度的波動范圍極小，始終穩(wěn)定在設(shè)定值的±5\times10^{-10}Pa范圍內(nèi)。具體數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，真空度的平均值為1.2\times10^{-9}Pa，標準偏差僅為2\times10^{-10}Pa。這表明本真空控制系統(tǒng)能夠長時間穩(wěn)定地維持超高真空環(huán)境，為角分辨光電子能譜實驗提供了可靠的真空保障。為了進一步探究真空度穩(wěn)定性的影響因素，對實驗數(shù)據(jù)進行了深入分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，真空泵的工作狀態(tài)對真空度穩(wěn)定性起著關(guān)鍵作用。在實驗過程中，當真空泵的轉(zhuǎn)速出現(xiàn)微小波動時，真空度也會相應(yīng)地產(chǎn)生一定變化。不過，由于本系統(tǒng)采用了先進的變頻調(diào)速技術(shù)和智能控制系統(tǒng)，能夠及時對真空泵的轉(zhuǎn)速進行調(diào)整，有效抑制了真空度的波動。外界環(huán)境因素，如溫度、振動等，也會對真空度產(chǎn)生一定的影響。為了減少這些因素的干擾，實驗裝置采取了一系列的防護措施，如對真空系統(tǒng)進行隔熱處理、安裝減震裝置等，從而確保了真空度的穩(wěn)定性。3.4.2與角分辨光電子能譜實驗的兼容性驗證為了驗證所開發(fā)的真空控制系統(tǒng)與角分辨光電子能譜實驗的兼容性，將該真空控制系統(tǒng)應(yīng)用于實際的ARPES實驗中，并對實驗結(jié)果進行了詳細分析。實驗選用了具有代表性的狄拉克節(jié)線半金屬樣品，該樣品在凝聚態(tài)物理研究中具有重要的研究價值。在實驗過程中，首先將樣品放入真空系統(tǒng)的樣品室中，通過真空控制系統(tǒng)將樣品室抽至超高真空度，以確保樣品表面的清潔和實驗環(huán)境的純凈。然后，利用角分辨光電子能譜儀對樣品的電子結(jié)構(gòu)進行測量。在測量過程中，實時監(jiān)測真空度的變化，確保真空度始終穩(wěn)定在實驗要求的范圍內(nèi)。通過對ARPES實驗結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)所開發(fā)的真空控制系統(tǒng)對實驗結(jié)果沒有產(chǎn)生任何負面影響。測量得到的光電子能譜圖清晰地顯示出狄拉克節(jié)線半金屬樣品的電子結(jié)構(gòu)特征，與理論預(yù)期相符。具體來說，在光電子能譜圖中，能夠準確地觀察到狄拉克節(jié)線半金屬的特征能帶結(jié)構(gòu)，如導(dǎo)帶和價帶在布里淵區(qū)中形成的一維節(jié)線，以及線性色散的能帶結(jié)構(gòu)等。這些特征的準確呈現(xiàn)，充分證明了本真空控制系統(tǒng)與ARPES實驗具有良好的兼容性，能夠為狄拉克節(jié)線半金屬等材料的電子結(jié)構(gòu)研究提供可靠的實驗環(huán)境。為了進一步驗證兼容性，還進行了對比實驗。在相同的實驗條件下，分別使用本真空控制系統(tǒng)和傳統(tǒng)真空控制系統(tǒng)進行ARPES實驗。結(jié)果顯示，使用本真空控制系統(tǒng)得到的光電子能譜圖的分辨率更高，信號噪聲比更低，能夠更清晰地展現(xiàn)出樣品的電子結(jié)構(gòu)細節(jié)。這表明本真空控制系統(tǒng)在提高實驗精度和準確性方面具有明顯的優(yōu)勢，能夠為科研人員提供更準確、更可靠的實驗數(shù)據(jù)，有助于深入研究狄拉克節(jié)線半金屬等材料的電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)。四、狄拉克節(jié)線半金屬的理論基礎(chǔ)4.1狄拉克節(jié)線半金屬的概念與特性4.1.1定義與基本特征狄拉克節(jié)線半金屬是拓撲半金屬家族中的重要成員，其獨特的電子結(jié)構(gòu)和新奇的物理性質(zhì)使其成為凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的研究熱點。從定義上來說，狄拉克節(jié)線半金屬是指在布里淵區(qū)中，導(dǎo)帶和價帶相交形成一維閉合節(jié)線的一類拓撲半金屬材料。這些節(jié)線是由能帶的交叉形成的，并且受到晶體對稱性的保護，使得節(jié)線處的電子態(tài)具有特殊的拓撲性質(zhì)。在狄拉克節(jié)線半金屬中，節(jié)線的形成與晶體的對稱性密切相關(guān)。晶體的對稱性決定了電子在晶體中的運動方式和能量分布，從而影響了能帶的結(jié)構(gòu)。一些狄拉克節(jié)線半金屬的節(jié)線受到空間反演對稱性和時間反演對稱性的共同保護。當晶體具有空間反演對稱性時，電子的波函數(shù)在空間反演操作下具有特定的變換性質(zhì)，這使得在某些動量空間區(qū)域，導(dǎo)帶和價帶的能量簡并，從而形成節(jié)線。時間反演對稱性則保證了節(jié)線在時間反演操作下的穩(wěn)定性。若晶體的對稱性被破壞，節(jié)線可能會消失或發(fā)生變化，導(dǎo)致材料的電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)發(fā)生改變。狄拉克節(jié)線半金屬的能帶結(jié)構(gòu)在費米面處形成節(jié)線，這一特征賦予了材料許多獨特的物理性質(zhì)。由于節(jié)線處的電子具有線性色散關(guān)系，類似于相對論性的狄拉克費米子，因此狄拉克節(jié)線半金屬中的電子具有較高的遷移率。這使得狄拉克節(jié)線半金屬在電子學(xué)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值，有望用于制備高性能的電子器件。狄拉克節(jié)線半金屬還具有鼓膜狀的表面態(tài)。這種表面態(tài)是由于節(jié)線在晶體表面的投影而產(chǎn)生的，其能量分布呈現(xiàn)出獨特的形狀，類似于鼓膜。鼓膜狀表面態(tài)的存在使得狄拉克節(jié)線半金屬在表面物理和界面物理等領(lǐng)域展現(xiàn)出獨特的性質(zhì)，為研究表面電子態(tài)和界面相互作用提供了新的平臺。4.1.2與其他拓撲材料的區(qū)別與聯(lián)系狄拉克節(jié)線半金屬與外爾半金屬、拓撲絕緣體等拓撲材料同屬于拓撲材料家族，它們在電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)上既有區(qū)別又存在一定的聯(lián)系。狄拉克節(jié)線半金屬與外爾半金屬在能帶結(jié)構(gòu)上存在顯著差異。外爾半金屬的能帶在動量空間中存在孤立的外爾點，這些外爾點是具有確定手性的兩重簡并點，且外爾點成對出現(xiàn)，其手性相反。而狄拉克節(jié)線半金屬的能帶則在布里淵區(qū)中形成一維的閉合節(jié)線，節(jié)線上的點是四重簡并的。在電子態(tài)的拓撲性質(zhì)方面，外爾半金屬中的外爾點具有非平凡的拓撲荷，這使得外爾半金屬具有一些獨特的物理性質(zhì)，如手性反常、負磁阻效應(yīng)等。狄拉克節(jié)線半金屬的節(jié)線則具有不同的拓撲性質(zhì)，其拓撲性質(zhì)與節(jié)線的形狀和晶體的對稱性密切相關(guān)。盡管存在這些差異，狄拉克節(jié)線半金屬和外爾半金屬也有一些共同之處。它們都屬于拓撲半金屬，具有特殊的拓撲表面態(tài)，這些表面態(tài)在材料的物理性質(zhì)中起著重要作用。狄拉克節(jié)線半金屬與拓撲絕緣體也有明顯的區(qū)別。拓撲絕緣體的內(nèi)部是絕緣的，而表面存在受拓撲保護的導(dǎo)電態(tài)，其表面態(tài)形成狄拉克錐。狄拉克節(jié)線半金屬則是體相為半金屬，存在導(dǎo)帶和價帶相交的節(jié)線。拓撲絕緣體的表面態(tài)是由時間反演對稱性保護的，而狄拉克節(jié)線半金屬的節(jié)線則受到多種對稱性的共同保護，如空間反演對稱性、時間反演對稱性以及晶體的點群對稱性等。它們之間也存在一些聯(lián)系。狄拉克節(jié)線半金屬和拓撲絕緣體都具有拓撲保護的電子態(tài)，這些電子態(tài)對雜質(zhì)和缺陷具有一定的魯棒性，使得材料在一定程度上能夠保持其特殊的物理性質(zhì)。在實際應(yīng)用方面，這些拓撲材料也各有特點。拓撲絕緣體由于其表面的導(dǎo)電態(tài)和內(nèi)部的絕緣性，在自旋電子學(xué)、量子計算等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值，可用于制備自旋過濾器、量子比特等器件。外爾半金屬的獨特物理性質(zhì)，如手性反常和負磁阻效應(yīng)，使其在電子學(xué)和磁學(xué)領(lǐng)域具有應(yīng)用前景，可用于開發(fā)新型的電子器件和磁傳感器。狄拉克節(jié)線半金屬的高電子遷移率和鼓膜狀表面態(tài)，使其在電子學(xué)和表面物理領(lǐng)域展現(xiàn)出潛在的應(yīng)用價值，有望用于制備高性能的電子器件和表面?zhèn)鞲衅?。四、狄拉克?jié)線半金屬的理論基礎(chǔ)4.2理論模型與計算方法4.2.1緊束縛模型在狄拉克節(jié)線半金屬研究中的應(yīng)用緊束縛模型作為凝聚態(tài)物理中一種重要的理論模型，在狄拉克節(jié)線半金屬的研究中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，為深入理解其電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)提供了有力的理論支持。緊束縛模型的基本原理基于將電子束縛在原子核附近，并考慮原子間相互作用的近似處理。在該模型中，假設(shè)電子主要被原子核吸引，并受到相鄰原子核的弱相互作用。以一個簡單的晶體結(jié)構(gòu)為例，設(shè)晶體由N個原子組成，每個原子的價電子軌道為|φi?，其中i表示原子的位置。晶體中電子的波函數(shù)可以近似表示為原子軌道的線性組合，即：|\psi\rangle=\sum_{i=1}^{N}c_{i}|\varphi_{i}\rangle其中，c_{i}為組合系數(shù)，它描述了電子在不同原子軌道上出現(xiàn)的概率。通過求解薛定諤方程H|\psi\rangle=E|\psi\rangle，可以得到電子的能級和波函數(shù)。這里的哈密頓量H包含了電子的動能、電子與原子核的相互作用能以及電子之間的相互作用能等項。在緊束縛模型中，通常對哈密頓量進行簡化處理，忽略電子之間的相互作用，并將電子與原子核的相互作用近似為原子軌道之間的重疊積分。通過這樣的近似處理，可以得到緊束縛模型的哈密頓量矩陣元：H_{ij}=\langle\varphi_{i}|H|\varphi_{j}\rangle當i=j時，H_{ii}表示電子在原子i上的能量；當i\neqj時，H_{ij}表示原子i和j之間的相互作用能，通常稱為躍遷積分。求解哈密頓量矩陣的本征值和本征向量，即可得到電子的能級和波函數(shù)，從而確定晶體的電子結(jié)構(gòu)。在狄拉克節(jié)線半金屬的研究中，緊束縛模型可用于計算其電子結(jié)構(gòu)，從而揭示狄拉克節(jié)線的形成機制和相關(guān)物理性質(zhì)。對于具有特定晶體結(jié)構(gòu)的狄拉克節(jié)線半金屬，通過合理選擇原子軌道作為基函數(shù)，并考慮原子間的相互作用，可以構(gòu)建其緊束縛模型。在計算過程中，通過調(diào)整模型參數(shù)，如原子間相互作用強度、原子軌道的重疊積分等，可以模擬不同條件下狄拉克節(jié)線半金屬的電子結(jié)構(gòu)變化。通過改變原子間的距離，觀察狄拉克節(jié)線的位置和形狀的變化；調(diào)整原子軌道的重疊積分，研究電子在不同原子軌道之間的躍遷概率對電子結(jié)構(gòu)的影響。通過這些模擬計算，可以深入理解狄拉克節(jié)線半金屬的電子結(jié)構(gòu)與晶體結(jié)構(gòu)、原子間相互作用之間的內(nèi)在聯(lián)系，為實驗研究提供重要的理論指導(dǎo)。北京理工大學(xué)的研究團隊在對單層Cu_2Si體系的研究中，利用緊束縛模型對其電子結(jié)構(gòu)進行了計算。通過合理選取原子軌道和參數(shù)，成功地解釋了實驗中觀測到的狄拉克節(jié)線的形成和特征。研究發(fā)現(xiàn)，在Cu_2Si體系中，Cu原子和Si原子的軌道相互作用使得導(dǎo)帶和價帶在布里淵區(qū)中間區(qū)域相交，形成了兩套封閉的節(jié)線，分別呈現(xiàn)六邊形和六角梅花形，這與實驗結(jié)果相符。該研究表明，緊束縛模型能夠準確地描述Cu_2Si體系的電子結(jié)構(gòu)，為理解二維狄拉克節(jié)線半金屬的物理性質(zhì)提供了重要的理論依據(jù)。4.2.2第一性原理計算方法概述第一性原理計算方法是基于量子力學(xué)基本原理，從微觀層面深入研究材料電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)的重要手段，在狄拉克節(jié)線半金屬的研究中具有不可或缺的地位。第一性原理計算的基本原理是將多個原子構(gòu)成的體系看成是由多個電子和原子核組成的系統(tǒng)，并根據(jù)量子力學(xué)的基本原理對問題進行最大限度的“非經(jīng)驗性”處理。其核心在于求解薛定諤方程，以確定體系的波函數(shù)和能量。對于由N個電子和M個原子核組成的體系，其哈密頓量可以表示為：H=-\frac{\hbar^{2}}{2m}\sum_{i=1}^{N}\nabla_{i}^{2}-\frac{\hbar^{2}}{2}\sum_{A=1}^{M}\frac{1}{M_{A}}\nabla_{A}^{2}+\sum_{i\ltj}^{N}\frac{e^{2}}{r_{ij}}-\sum_{i=1}^{N}\sum_{A=1}^{M}\frac{Z_{A}e^{2}}{r_{iA}}+\sum_{A\ltB}^{M}\frac{Z_{A}Z_{B}e^{2}}{R_{AB}}其中，第一項表示電子的動能，第二項表示原子核的動能，第三項表示電子之間的庫侖相互作用能，第四項表示電子與原子核之間的庫侖相互作用能，第五項表示原子核之間的庫侖相互作用能。\hbar為約化普朗克常數(shù)，m為電子質(zhì)量，M_{A}為原子核A的質(zhì)量，Z_{A}為原子核A的電荷數(shù)，r_{ij}為電子i和j之間的距離，r_{iA}為電子i與原子核A之間的距離，R_{AB}為原子核A和B之間的距離。求解薛定諤方程H\Psi=E\Psi，其中\(zhòng)Psi為體系的波函數(shù)，E為體系的能量，即可得到體系的電子結(jié)構(gòu)和能量。然而，對于實際的多電子體系，直接求解薛定諤方程是極其困難的，因此在第一性原理計算中通常需要引入一些近似處理。其中，最常用的近似方法是密度泛函理論（DFT）。DFT的基本思想是將多電子體系的能量表示為電子密度的泛函，即E=E[\rho(r)]，其中\(zhòng)rho(r)為電子密度。通過變分原理，尋找使能量最小的電子密度，從而得到體系的基態(tài)能量和電子結(jié)構(gòu)。在DFT中，常用的交換關(guān)聯(lián)泛函有局域密度近似（LDA）和廣義梯度近似（GGA）等。LDA假設(shè)電子密度在空間中緩慢變化，將交換關(guān)聯(lián)能表示為均勻電子氣的交換關(guān)聯(lián)能；GGA則考慮了電子密度的梯度對交換關(guān)聯(lián)能的影響，在一定程度上提高了計算精度。第一性原理計算在狄拉克節(jié)線半金屬研究中具有多方面的重要作用。它可以準確預(yù)測狄拉克節(jié)線半金屬的晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)，確定狄拉克節(jié)線的位置、形狀以及能帶的色散關(guān)系等。通過計算，能夠深入了解狄拉克節(jié)線半金屬中電子的相互作用和運動規(guī)律，揭示其獨特物理性質(zhì)的微觀起源。在研究狄拉克節(jié)線半金屬的拓撲性質(zhì)時，第一性原理計算可以通過計算拓撲不變量，如陳數(shù)、Zak相等，來確定材料的拓撲性質(zhì)，為拓撲材料的研究提供重要的理論依據(jù)。第一性原理計算還可以用于預(yù)測狄拉克節(jié)線半金屬的物理性質(zhì)，如電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)等性質(zhì)，為材料的應(yīng)用開發(fā)提供理論指導(dǎo)。在探索狄拉克節(jié)線半金屬在電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用時，通過計算其電子遷移率、電導(dǎo)率等電學(xué)性質(zhì)，可以評估其在電子器件中的應(yīng)用潛力；在研究其在光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用時，計算其光學(xué)吸收、發(fā)射等性質(zhì)，為開發(fā)新型光學(xué)器件提供理論支持。五、基于角分辨光電子能譜的狄拉克節(jié)線半金屬研究5.1實驗樣品制備與表征5.1.1樣品合成方法與工藝狄拉克節(jié)線半金屬樣品的合成是開展后續(xù)研究的基礎(chǔ)，其合成方法和工藝對樣品的質(zhì)量和性能有著至關(guān)重要的影響。本研究采用化學(xué)氣相沉積（CVD）和分子束外延（MBE）兩種方法進行狄拉克節(jié)線半金屬樣品的制備，這兩種方法各有特點，能夠滿足不同實驗需求?；瘜W(xué)氣相沉積（CVD）是一種在高溫和催化劑作用下，通過氣態(tài)的金屬有機化合物和氫氣等氣體在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而在襯底上沉積薄膜材料的方法。在狄拉克節(jié)線半金屬樣品的制備中，以過渡金屬鹵化物和硫族元素為原料，在高溫下蒸發(fā)形成氣態(tài)分子，這些氣態(tài)分子在載氣的攜帶下傳輸?shù)揭r底表面。在襯底表面，氣態(tài)分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成狄拉克節(jié)線半金屬薄膜。以制備二硫化鉬（MoS_2）狄拉克節(jié)線半金屬薄膜為例，實驗中選用純度為99.99%的三氧化鉬（MoO_3）粉末和純度為99.99%的硫粉作為原料，將它們分別放置在兩個獨立的石英舟中。將襯底（如藍寶石襯底）放置在管式爐的高溫區(qū)，設(shè)置管式爐的升溫速率為10℃/min，升溫至900℃，并在該溫度下保持30分鐘。在升溫過程中，向管式爐中通入流量為50sccm的氬氣作為載氣，同時通入流量為5sccm的氫氣作為反應(yīng)輔助氣體。反應(yīng)結(jié)束后，自然冷卻至室溫，在襯底表面即可得到高質(zhì)量的MoS_2狄拉克節(jié)線半金屬薄膜。分子束外延（MBE）則是在超高真空環(huán)境下，將蒸發(fā)的原子或分子束蒸發(fā)射到清潔的襯底表面，在襯底表面進行逐層生長的一種薄膜生長技術(shù)。在制備狄拉克節(jié)線半金屬樣品時，將過渡金屬原子和硫族元素原子分別蒸發(fā)成原子束，在超高真空環(huán)境下，這些原子束精確地蒸發(fā)射到加熱的襯底表面，在襯底表面進行逐層生長。在制備硒化鉍（Bi_2Se_3）狄拉克節(jié)線半金屬薄膜時，將純度為99.999%的鉍（Bi）和硒（Se）原子分別放置在獨立的蒸發(fā)源中。將藍寶石襯底放置在MBE設(shè)備的樣品臺上，將真空室抽至10^{-10}Pa的超高真空環(huán)境。通過精確控制蒸發(fā)源的溫度和蒸發(fā)速率，使Bi和Se原子束以一定的比例蒸發(fā)射到襯底表面，在襯底表面進行逐層生長。在生長過程中，利用反射高能電子衍射（RHEED）實時監(jiān)測薄膜的生長質(zhì)量和生長速率，確保薄膜的高質(zhì)量生長。生長完成后，將樣品冷卻至室溫，即可得到高質(zhì)量的Bi_2Se_3狄拉克節(jié)線半金屬薄膜。CVD方法具有生長速度快、成本相對較低、可以大面積生長等優(yōu)點，適用于對樣品面積要求較大的實驗研究，如在研究狄拉克節(jié)線半金屬的宏觀物理性質(zhì)時，可采用CVD方法制備大面積的薄膜樣品。但CVD方法生長的薄膜可能存在雜質(zhì)和缺陷，對樣品的質(zhì)量有一定影響。MBE方法則具有生長精度高、可以精確控制薄膜的原子層數(shù)和生長方向、生長的薄膜質(zhì)量高等優(yōu)點，適用于對樣品質(zhì)量要求極高的實驗研究，如在研究狄拉克節(jié)線半金屬的微觀電子結(jié)構(gòu)時，采用MBE方法制備高質(zhì)量的薄膜樣品，能夠更準確地反映材料的本征性質(zhì)。然而，MBE方法生長速度慢、設(shè)備昂貴，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。5.1.2樣品結(jié)構(gòu)與質(zhì)量表征為了深入了解所制備的狄拉克節(jié)線半金屬樣品的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量，本研究綜合運用多種先進的表征技術(shù)，包括X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）和原子力顯微鏡（AFM）等，從不同角度對樣品進行全面分析。X射線衍射（XRD）是一種用于確定材料晶體結(jié)構(gòu)和晶格參數(shù)的重要技術(shù)。其基本原理是利用X射線與晶體中的原子相互作用產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，通過測量衍射峰的位置和強度，可獲得材料的晶體結(jié)構(gòu)信息。在對狄拉克節(jié)線半金屬樣品進行XRD測試時，使用CuKα射線作為入射光源，掃描范圍設(shè)定為2θ從10°到80°，掃描速度為0.02°/s。通過XRD圖譜分析，可確定樣品的晶體結(jié)構(gòu)是否符合狄拉克節(jié)線半金屬的特征結(jié)構(gòu)。若樣品為硒化鉍（Bi_2Se_3）狄拉克節(jié)線半金屬，其XRD圖譜應(yīng)在特定的2θ角度出現(xiàn)對應(yīng)于Bi_2Se_3晶體結(jié)構(gòu)的衍射峰，如（003）、（006）等晶面的衍射峰。通過與標準卡片對比，可判斷樣品的純度和結(jié)晶質(zhì)量。若衍射峰尖銳且強度高，表明樣品的結(jié)晶質(zhì)量良好，純度較高；若出現(xiàn)雜峰，則可能意味著樣品中存在雜質(zhì)相，需要進一步優(yōu)化制備工藝。掃描電子顯微鏡（SEM）能夠?qū)悠返谋砻嫘蚊策M行高分辨率成像，直觀展示樣品的表面形態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)。在對狄拉克節(jié)線半金屬樣品進行SEM觀察時，將樣品固定在樣品臺上，放入SEM設(shè)備中，通過電子束掃描樣品表面，產(chǎn)生二次電子圖像。從SEM圖像中，可清晰觀察到樣品的表面平整度、晶粒大小和分布情況。對于采用化學(xué)氣相沉積法制備的狄拉克節(jié)線半金屬薄膜，SEM圖像可能顯示出薄膜表面存在一定的粗糙度，晶粒大小分布相對不均勻；而采用分子束外延法制備的薄膜，表面則較為平整，晶粒大小均勻，排列緊密。通過對SEM圖像的分析，還可評估樣品在制備過程中是否存在缺陷，如孔洞、裂紋等，這些缺陷可能會影響樣品的物理性質(zhì)，為進一步優(yōu)化制備工藝提供依據(jù)。原子力顯微鏡（AFM）則可用于測量樣品表面的微觀形貌和粗糙度，其分辨率可達到原子級別。在AFM測試中，通過微小的探針在樣品表面掃描，測量探針與樣品表面之間的相互作用力，從而獲得樣品表面的形貌信息。對于狄拉克節(jié)線半金屬樣品，AFM能夠精確測量薄膜表面的原子臺階高度和粗糙度。通過對AFM圖像的分析，可得到樣品表面的粗糙度數(shù)值，進一步評估樣品的質(zhì)量。若樣品表面粗糙度較小，說明薄膜表面較為平整，質(zhì)量較高；反之，若粗糙度較大，則可能影響樣品的電學(xué)和光學(xué)性能。AFM還可用于觀察樣品表面的原子排列情況，為研究狄拉克節(jié)線半金屬的微觀結(jié)構(gòu)提供更詳細的信息。5.2角分辨光電子能譜實驗測量5.2.1實驗參數(shù)設(shè)置與優(yōu)化在進行狄拉克節(jié)線半金屬的角分辨光電子能譜實驗時，合理設(shè)置和優(yōu)化實驗參數(shù)對于獲得高質(zhì)量的實驗數(shù)據(jù)至關(guān)重要。實驗參數(shù)的選擇直接影響到測量的準確性和分辨率，進而影響對狄拉克節(jié)線半金屬電子結(jié)構(gòu)的深入研究。光子能量是ARPES實驗中的一個關(guān)鍵參數(shù)，它對測量結(jié)果有著多方面的影響。不同的光子能量對應(yīng)著不同的探測深度和動量分辨率。一般來說，較低的光子能量具有較小的探測深度，主要探測樣品表面的電子信息；而較高的光子能量則能夠探測到樣品內(nèi)部更深層次的電子信息，但動量分辨率會相對降低。在狄拉克節(jié)線半金屬的研究中，為了全面了解其電子結(jié)構(gòu)，需要根據(jù)具體情況選擇合適的光子能量。對于一些表面性質(zhì)較為重要的狄拉克節(jié)線半金屬，如具有特殊表面態(tài)的材料，可選擇較低的光子能量，如21.2eV（HeIα光源），以重點研究其表面電子結(jié)構(gòu)。這種能量的光子能夠更敏感地探測到表面電子的信息，有助于揭示表面態(tài)的特征和性質(zhì)。而對于研究狄拉克節(jié)線半金屬的體態(tài)電子結(jié)構(gòu)，較高的光子能量，如60-100eV的同步輻射光源，能夠提供更深入的探測，獲取體態(tài)電子的詳細信息，為研究狄拉克節(jié)線在體態(tài)中的分布和性質(zhì)提供依據(jù)。測量角度范圍的選擇也對實驗結(jié)果有著重要影響。測量角度范圍決定了能夠探測到的電子動量空間區(qū)域，進而影響對狄拉克節(jié)線半金屬能帶結(jié)構(gòu)的觀測。在實驗中，通常選擇的測量角度范圍為±60°。這一范圍能夠覆蓋較大的動量空間區(qū)域，有助于全面觀測狄拉克節(jié)線半金屬的能帶結(jié)構(gòu)。在這個角度范圍內(nèi)，可以觀測到狄拉克節(jié)線半金屬的導(dǎo)帶和價帶在布里淵區(qū)中的交叉情況，以及節(jié)線的形狀和分布。通過改變測量角度，可以獲得不同動量方向上的電子能量和動量信息，從而繪制出完整的能帶色散關(guān)系。當測量角度在±30°范圍內(nèi)時，能夠更清晰地觀測到狄拉克節(jié)線半金屬在某些特定動量方向上的能帶特征，如線性色散關(guān)系等；而當測量角度擴大到±60°時，則可以更全面地了解能帶在整個動量空間的分布情況，為研究狄拉克節(jié)線半金屬的電子結(jié)構(gòu)提供更豐富的數(shù)據(jù)。為了進一步優(yōu)化實驗參數(shù)，還需要考慮其他因素的影響。樣品的質(zhì)量和表面狀態(tài)會對實驗結(jié)果產(chǎn)生顯著影響，因此在實驗前需要對樣品進行嚴格的清潔和處理，確保樣品表面的純凈和光滑。實驗環(huán)境的穩(wěn)定性也至關(guān)重要，需要保證實驗過程中真空度、溫度等環(huán)境參數(shù)的穩(wěn)定，以減少外界因素對實驗結(jié)果的干擾。在實驗過程中，還可以通過多次測量和對比，對實驗參數(shù)進行微調(diào)，以獲得最佳的測量結(jié)果。5.2.2數(shù)據(jù)采集與處理方法在狄拉克節(jié)線半金屬的角分辨光電子能譜實驗中，準確采集和科學(xué)處理實驗數(shù)據(jù)是揭示其電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)采集過程需要嚴格控制實驗條件，確保數(shù)據(jù)的準確性和可靠性；而數(shù)據(jù)處理方法則直接影響到對實驗數(shù)據(jù)的分析和解讀，進而影響對狄拉克節(jié)線半金屬的研究成果。在數(shù)據(jù)采集階段，采用多通道探測器能夠提高數(shù)據(jù)采集的效率和精度。多通道探測器可以同時測量多個角度和能量的光電子信號，大大縮短了數(shù)據(jù)采集的時間，并且能夠減少因時間變化而引起的誤差。在實驗過程中，設(shè)置探測器的積分時間為500ms，這樣可以在保證信號強度的前提下，有效減少噪聲的影響。積分時間過短，可能導(dǎo)致信號強度不足，影響測量的準確性；而積分時間過長，則可能引入更多的噪聲，降低數(shù)據(jù)的質(zhì)量。還需要對探測器進行校準，確保其測量的準確性。校準過程包括能量校準和角度校準，通過使用標準樣品對探測器的能量和角度響應(yīng)進行標定，消除探測器本身的誤差，使測量得到的光電子能量和發(fā)射角度更加準確。采集到的原始數(shù)據(jù)需要經(jīng)過一系列的處理和分析，才能提取出有價值的信息。數(shù)據(jù)處理的第一步是背景扣除，由于實驗過程中存在各種噪聲和背景信號，這些信號會干擾對光電子信號的分析，因此需要通過背景扣除的方法去除這些干擾信號。采用在相同實驗條件下測量空白樣品的方法，獲取背景信號，然后將測量樣品時得到的原始數(shù)據(jù)減去背景信號，得到扣除背景后的光電子能譜數(shù)據(jù)。對數(shù)據(jù)進行平滑處理，以減少數(shù)據(jù)的噪聲波動。常用的平滑方法有Savitzky-Golay濾波法，該方法通過對數(shù)據(jù)進行多項式擬合，去除數(shù)據(jù)中的高頻噪聲，使數(shù)據(jù)更加平滑。在進行Savitzky-Golay濾波時，選擇合適的窗口大小和多項式階數(shù)至關(guān)重要。窗口大小決定了參與擬合的數(shù)據(jù)點數(shù)，窗口過大可能會導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真，窗口過小則無法有效去除噪聲；多項式階數(shù)則決定了擬合的精度，一般選擇3-5階多項式能夠在保證精度的同時，有效平滑數(shù)據(jù)。為了提取狄拉克節(jié)線半金屬的電子結(jié)構(gòu)信息，還需要對處理后的數(shù)據(jù)進行進一步分析。通過對光電子能譜數(shù)據(jù)的擬合，確定電子的能量和動量分布，進而繪制出能帶色散關(guān)系。在擬合過程中，采用洛倫茲函數(shù)或高斯函數(shù)對光電子能譜峰進行擬合，通過調(diào)整函數(shù)的參數(shù)，使擬合曲線與實驗數(shù)據(jù)最佳匹配，從而得到電子的能量和動量信息。還可以通過分析光電子能譜的強度分布，研究狄拉克節(jié)線半金屬的態(tài)密度分布情況。態(tài)密度分布反映了不同能量狀態(tài)下電子的分布情況，對于理解狄拉克節(jié)線半金屬的電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)具有重要意義。五、基于角分辨光電子能譜的狄拉克節(jié)線半金屬研究5.3實驗結(jié)果與分析5.3.1狄拉克節(jié)線半金屬的電子結(jié)構(gòu)特征通過精心設(shè)置和優(yōu)化角分辨光電子能譜實驗參數(shù)，對狄拉克