角分辨光电子能谱（Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy, ARPES）作为同步辐射技术体系中的核心表征手段，凭借对电子能量与动量的精准探测能力，成为解析晶体固体与薄膜电子结构的“黄金工具”。其核心价值在于直接映射电子能带色散关系，揭示费米表面拓扑、自旋纹理及多体相互作用等关键物理信息，为拓扑材料、高温超导体、二维材料等前沿领域的研究提供不可或缺的实验支撑。以下从光电子发射机制、技术原理、变体形式、实验系统及应用场景五个维度，系统梳理 ARPES 的技术细节与科学价值。
1. 光电子发射的物理机制：从激发到逸出的三步过程
ARPES 的物理基础是光电效应，即光子与物质相互作用时，能量被电子吸收并克服束缚能逸出样品表面的过程。这一过程可细分为三个连续阶段，每个阶段的效率与特性直接影响 ARPES 谱图的质量：
1.1. 体相电子的光学激发
当单色光子（能量需大于材料功函数）照射样品时，体相内占据态电子吸收光子能量，从初始能量态（通常为价带或芯能级）跃迁至未占据的高能态。这一阶段需满足能量守恒：光子能量（hv）等于电子结合能（E_B，电子在初始态与费米能级的能量差）、电子动能（E_Kin，逸出后具有的动能）与材料功函数（Φ，电子克服表面势垒所需能量）之和，即 hv = E_B + E_Kin + Φ。
需注意的是，仅“无散射激发”的电子能保留初始态的能量与动量信息，这类电子是 ARPES 分析的核心对象。
1.2. 受激电子的表面传输
激发后的电子需从体相传输至样品表面，这一过程中不可避免与晶格原子、其他电子发生相互作用。若电子经历非弹性散射，会损失部分能量并改变动量方向，导致其无法反映初始电子态信息，成为谱图中的背景信号；而弹性散射电子虽动量可能变化，但能量保留完整，仍可用于部分结构分析。
电子的传输能力由“平均自由程”决定——通常在几纳米至几十纳米范围，这使得 ARPES 对样品表面附近的电子态更为敏感，同时也要求样品表面具备极高的洁净度。
1.3. 光电子的真空逸出
当受激电子到达样品表面时，需克服表面势垒（功函数）才能逸出至真空。此时，电子的动能需满足 E_Kin ≥ 0，否则会被束缚在样品内。
逸出至真空的电子将被能量分析仪捕获，其动能与发射角度被精确记录，进而通过能量标度转换得到结合能，通过角度-动量变换关系推导电子的动量信息。这一阶段的关键参数包括“真空能级”（电子在真空中的能量基准）与“费米能级”（绝对零度时电子占据的最高能级），二者共同构成 ARPES 能量标定的核心参考。
2. ARPES 的技术原理：能量与动量的双重探测
ARPES 与传统光电子能谱（如 XPS、UPS）的本质区别在于动量分辨能力——不仅测量光电子的动能（推导结合能），还通过记录发射角度（推导动量），建立电子能量与动量的对应关系，即电子能带色散（E-k）关系。
2.1. 核心原理：能量与动量守恒
(1) 能量守恒： 如前所述，通过测量光电子动能 E_Kin，结合已知的光子能量 hv 与材料功函数 Φ，可通过 E_B = hv – E_Kin – Φ 计算电子结合能，确定电子在样品中的初始能量态。
(2) 动量守恒： 电子动量分为平行于样品表面（k_∥）与垂直于样品表面（k_⊥）的两个分量。由于样品表面为“势能台阶”，平行分量在逸出过程中保持守恒，可通过发射角 θ 直接计算：k_∥ = (√(2m E_Kin) / ħ) * sinθ（其中 m 为电子质量，ħ 为约化普朗克常数）；垂直分量因表面势垒影响不守恒，需通过改变光子能量或引入“最终态近似”（假设电子逸出后处于自由电子态）间接推导。
这种动量分辨能力使 ARPES 能够直接绘制“费米表面”（费米能级处电子动量的分布），而费米表面的拓扑结构是理解金属导电性、超导电性等宏观性能的关键。
2.2. 核心功能：从能带映射到多体相互作用分析
基于能量与动量的双重探测，ARPES 可实现多项关键表征功能：
电子能带色散映射： 通过扫描光子能量或发射角度，获取不同动量下的电子能量分布，构建完整的 E-k 关系图，直接验证理论预测的能带结构（如拓扑绝缘体的表面态、石墨烯的狄拉克锥）。
费米表面绘制： 聚焦费米能级（E = E_F），记录不同动量下的电子强度，得到费米表面的形状与拓扑特性（如嵌套矢量、费米面嵌套导致的电荷密度波）。
态密度计算： 对 ARPES 谱图在动量空间积分，可得到费米能级附近的电子态密度（DOS），而态密度是理解电子输运、磁性等性能的核心参数。
自旋-轨道耦合效应解析： 结合自旋探测器（见“自旋分辨 ARPES”），可观测 Rashba 自旋分裂（非中心对称材料中动量依赖的自旋简并解除）、拓扑表面态的自旋纹理（如拓扑绝缘体表面态的“螺旋形”自旋分布）。
多体相互作用研究： 通过高分辨率 ARPES 谱图，可观测电子-声子相互作用导致的能带扭折、电子-电子相互作用引发的准粒子峰展宽，为理解高温超导机制、重费米子行为提供直接证据。
3. ARPES 的技术变体：适配不同研究需求的功能拓展
随着同步辐射技术与探测器技术的进步，传统 ARPES 已发展出多种变体形式，通过增强自旋、时间、空间或能量分辨能力，适配更复杂的研究场景：
3.1. 自旋分辨 ARPES（SR-ARPES）：揭示电子自旋纹理
SR-ARPES 在传统 ARPES 基础上集成自旋探测器（如莫特探测器、自旋过滤探测器），可同时测量光电子的能量、动量与自旋极化度（包括自旋向上/向下、自旋在不同量子化轴的分量）。其核心价值在于解析“自旋-动量锁定”现象——例如，在拓扑绝缘体表面态中，电子自旋方向与动量方向严格垂直，形成“螺旋形”自旋纹理；在非中心对称材料（如 BiTeI）中，SR-ARPES 可区分表面与体相的 Rashba 自旋分裂，明确不同自旋通道的电子输运特性。
3.2. 时间分辨 ARPES（Tr-ARPES）：捕捉动态电子过程
Tr-ARPES 采用“泵浦-探测”模式：通过超短脉冲激光（泵浦光，通常为红外波段）激发样品至非平衡态（如光诱导相变、电子-空穴对产生），再通过同步辐射脉冲或超短紫外脉冲（探测光）激发光电子，记录不同时间延迟下的电子结构演化。其时间分辨率可达飞秒级，可用于研究：非平衡态电子的弛豫动力学（如高温超导体中准粒子的寿命）；光诱导的拓扑相变（如激光驱动下绝缘体向拓扑金属的转变）；集体激发的动态过程（如磁振子、等离激元与电子的相互作用）。
3.3. 软 X 射线 ARPES（SX-ARPES）：增强体相敏感性
传统 ARPES 多采用紫外或软 X 射线（光子能量＜100 eV），对样品表面（几纳米深度）敏感；SX-ARPES 则使用更高能量的软 X 射线（100-2000 eV），电子平均自由程更长（可达几十纳米），具备体相表征能力。其核心应用场景包括：掩埋界面的电子结构分析（如异质结中不同层间的电子耦合、氧化物界面的二维电子气）；表面包覆样品的体相电子态探测（如保护层覆盖的拓扑材料、电池电极材料的体相能带）。
3.4. 纳米分辨 ARPES（微/纳米 ARPES）：实现空间分辨表征
传统 ARPES 的空间分辨率受限于光束尺寸（通常为微米级），纳米分辨 ARPES 通过“纳米聚焦光束线”（将同步辐射光束聚焦至纳米尺度）或“近场光学耦合”技术，实现纳米级空间分辨率。其可用于研究：小尺寸样品的电子态（如纳米颗粒、量子点的能带量子限制效应）；异质材料的微区电子结构（如扭曲双层石墨烯的莫尔超晶格、高温超导体的畴区电子态差异）。
4. ARPES 实验系统：从光源到样品的全链条控制
一套完整的 ARPES 实验系统需协同整合光源、样品制备与处理、探测与校准等模块，确保实验数据的准确性与可重复性：
4.1. 光源选择：同步辐射与激光驱动光源
ARPES 的光源需满足高单色性、可调光子能量与稳定偏振态的要求，主流选择包括：
同步辐射光源： 依托第三代或第四代同步辐射装置，可提供从紫外到软 X 射线的连续可调光子能量（10-2000 eV），且具备高亮度、高偏振度的优势，是开展高分辨率、体相敏感 ARPES 实验的首选。
激光驱动谐波光源： 基于飞秒激光与气体相互作用产生的高次谐波（如 13.5 eV 的氦气谐波），设备紧凑且成本较低，适用于实验室级 ARPES 实验，但光子能量范围较窄（通常＜100 eV），亮度低于同步辐射。
4.2. 样品制备与处理：确保表面洁净与结构完整
ARPES 对样品表面质量极为敏感（表面吸附物会导致谱图背景增加、电子态畸变），因此样品制备与处理需满足严格要求：
合成方法： 优先选择分子束外延（MBE）、物理气相沉积（PVD）等“无溶剂”方法，避免化学残留；MBE 可制备大面积、高结晶度的薄膜样品，是 ARPES 实验的理想选择。
表面清洁： 实验前需通过“解理”（适用于层状材料，如 Bi₂Se₃）或“溅射-退火”（适用于金属与半导体，通过氩离子溅射去除表面污染物，再退火恢复晶格完整性）处理样品。
环境控制： 样品需置于超高真空（UHV）环境（压力＜10⁻¹¹ Torr）中，避免表面再次污染；部分实验需在低温（如 10 K）下进行，以减少热展宽对谱图分辨率的影响。
4.3. 探测与校准：精准获取能量与动量信息
ARPES 的核心探测器包括：
能量分析仪： 常用半球形偏转分析仪（HDA）或飞行时间（ToF）分析仪，HDA 能量分辨率可达亚 10 meV，适用于静态电子结构分析；ToF 分析仪时间分辨率高，更适配 Tr-ARPES 实验。
角度探测器： 多通道电子倍增器或电荷耦合器件（CCD），可同时记录不同发射角的光电子强度，大幅提升实验效率。
校准手段： 实验前需通过标准样品（如 Au (111)、Cu (111)）校准能量与动量标度；通过低能电子衍射（LEED）、扫描隧道显微镜（STM）或 X 射线光电子能谱（XPS）验证样品表面的结晶度与洁净度。
5. ARPES 的核心应用场景：从基础物理到材料科学
ARPES 的应用已覆盖凝聚态物理、材料科学、量子信息等多个领域，尤其在以下体系的研究中发挥不可替代的作用：
5.1. 拓扑材料：验证拓扑表面态与费米弧
拓扑绝缘体（如 Bi₂Se₃、Sb₂Te₃）、狄拉克半金属（如 Cd₃As₂）等拓扑材料的核心特征是“受拓扑保护的表面态”，而 ARPES 是直接观测这类表面态的唯一实验手段。
例如，在 Bi₂Se₃ 的 ARPES 谱图中，可清晰观测到费米能级处的“狄拉克锥”表面态，且表面态的自旋纹理呈螺旋形（通过 SR-ARPES 验证），完全符合理论预测的拓扑特性；对于外尔半金属，ARPES 可观测到费米表面上的“外尔点”与“费米弧”，为理解拓扑相变与 chiral 异常提供直接证据。
5.2. 高温超导体：揭示超导配对机制
高温超导体（如 YBa₂Cu₃O₇₋δ、Bi₂Sr₂CaCu₂O₈）的超导机制是凝聚态物理的核心难题，ARPES 通过探测“超导能隙”（超导态中费米能级处的能隙）与“正常态电子结构”，为理解配对机制提供关键线索。
例如，ARPES 观测到高温超导体的超导能隙具有“d 波对称性”（能隙在某些动量方向为零），排除了传统 BCS 理论的 s 波配对假设；同时，通过观测正常态的“赝能隙”（高于超导临界温度时出现的能隙），为理解超导序的预形成提供实验支撑。
5.3. 二维材料：解析量子限制与层间耦合
石墨烯、过渡金属硫族化合物（如 MoS₂）等二维材料的电子结构受量子限制效应与层间耦合强烈影响，ARPES 可直接揭示这些效应：
例如，石墨烯的 ARPES 谱图中可观测到线性色散的“狄拉克锥”，且费米能级处态密度为零，验证其无质量狄拉克费米子特性；MoS₂ 等半导体性二维材料的 ARPES 谱图可清晰区分单层与多层的能带结构差异（如单层 MoS₂ 的直接带隙、多层的间接带隙），为二维光电子器件设计提供依据。
5.4. 异质结构与掩埋界面：探测界面电子态
异质结构（如氧化物异质结 LaAlO₃/SrTiO₃）的核心功能往往源于界面处的电子态（如二维电子气），而 SX-ARPES 的体相敏感性使其能够穿透表层材料，探测掩埋界面的电子结构。
例如，在 LaAlO₃/SrTiO₃ 异质结中，SX-ARPES 观测到界面处存在高迁移率的二维电子气，且其能带结构具有 Rashba 自旋分裂，为设计自旋电子器件提供实验基础。
总结
综上，ARPES 凭借对电子能量与动量的精准探测能力，已成为连接理论预测与实验验证的关键桥梁。随着同步辐射光源亮度的提升与探测器技术的进步，ARPES 将进一步实现“自旋-时间-空间”多维度的高分辨表征，为量子材料的基础研究与应用开发提供更强大的工具。
本转载仅出于分享优质测试干货，旨在传递更多观点，并不代表赞同其全部观点或证实其内容的真实性。文章中所包含的图片、音频、视频等素材的版权均归原作者所有。如有侵权请告知删除。
