洁净或吸附金属表面的多光子光电发射研究-非线性光学与光子学

已在一系列金属单晶表面，进行了能量与时间分辨的共振多光子光电发射的基础研究，这些研究包括：Ag（111）面和Cu（111）面的双光子激发［10］，Ag（100）和Cu（100）面的双光子激发［11～14］，Ni（镍）（110，111）面的双光子激发［15］，Co（钴）（0001）和Fe（铁）（110）面的双光子激发［16］，Cu（001）面的三光子激发［17］以及Pt（铂）（111）面的三光子激发等［18］。在这些研究的基础上，研究者们可以测定给定的金属样品的镜势能级的结构、能级寿命和线宽等重要信息［19］。

作为一个典型实例，图15-6给出了显示从Cu（100）和Ag（100）样品测得的双光子激发光电子的动能谱，入射光出自一台可调谐（光子能量hv可连续改变）染料激光器［11］。这些能谱曲线是在两种不同入射激光频率条件下，沿表面法线方向测量得到的。如图所示，在较高的入射光子能量条件下，与n=1和n=2两个镜势能级对应的共振增强峰清晰可见。此情况下，相应镜势能级的本征值可根据下式加以确定［参见式（15-11）］：

式中，为能谱曲线中相应峰值位置的测量值。

图15-6　通过双光子激发并沿法线方向测得的出自Cu（100）和Ag（100）表面的光电子动能谱分布曲线［11］

电子在不同镜势能级上的寿命，可以采用激励-探测双光束入射方式，通过连续改变两种光脉冲相对时间延迟的方法而加以测定。图15-7给出了按上述方式，在不同延迟时间下测得的出自Ag（100）表面光电子发射的动能谱曲线［13］。该实验采用了波长为285 nm（hv1=4.35 eV）和脉宽为90 fs的激光用作激励光束，而以另一波长为620 nm（hv2=2.0 eV）和脉宽为55 fs的激光用作探测光束。由该图可明显看出，随着两种脉冲光束相对延迟的增大，与n=1和n=2镜势能级对应的共振峰值逐渐降低，基于这种类型的时间分辨测量，可以确定样品不同镜势能级的相应寿命［3，12，14］。

图15-7　在不同相对延迟条件下，通过双光束激励测得的出自Ag（100）表面光电子发射动能谱曲线［13］

多光子光电发射技术，还可以用来有效地研究吸附在纯金属表面上单层或多层原子或分子膜层对光电发射行为的影响，被选定的原子或分子可以借助物理或化学方法吸附在清洁的金属表面。这样被研究过的膜/金属系统包括：O（氧）原子/Cu（111）［20］，Ag原子/Pd（钯）（111）［21］，Xe（氙）原子/Ag（111）［22］，Na（钠）原子/Cu（111）［23］，CO（一氧化碳）分子/Au（111）［24］以及Cs（铯）原子/Cu（111）［25］等。上述吸附在表面上的原子或分子膜层，可以影响被其覆盖的金属光电发射特性或者产生新的界面能级。(www.xing528.com)

图15-8为与一洁净的表面样品相比，表面上有不同CO分子覆盖量（以ML为单位）的Cu（100）样品的光电发射能谱曲线中，与n=3镜势能级对应的共振峰的时间变化曲线［26］。为获得这些结果，实验中利用出自钛宝石激光器波长为800 nm和时宽为45 fs的部分输出作为探测光束，而以同一输出的三次谐波（时宽为75 fs）作激励光束。由该图可以看出，对洁净的表面样品而言，n=3共振峰具指数衰减并且受到周期性调制，这种调制（量子拍频）实际上由n=3和n=4两个量子态波函数之间的干涉效应所造成。另一方面还可看出，n=3共振峰的延迟曲线所经受的拍频调制的衰减时间，从清洁表面时的Td≈280 fs，减少到表面有0.08 ML覆盖量的CO分子层时的Td≈40 fs。这意味着由于CO的吸附而导致上述两能级波函数之间的相位相干性降低，但应注意到n=3镜势能级的指数衰减时间却几乎保持相同（τ≈300 fs）。

具时间分辨能力的双波长激励-探测技术，也可以用来研究其他表面系统的动态光电发射行为，例如半导体衬底上的金属薄膜［27］以及金属绝缘体金属结体系等［28］。此外，为了解光电发射行为相对于有关能级电子波矢的依赖关系，亦进行了有关角度依赖的双光子激发光电发射研究［22～25，29，30］。

图15-8　双光子激发导致的由洁净Cu（100）表面、有CO分子吸附表面发射的光电子能谱n=3共振峰，随探测光脉冲时间延迟的衰减行为（叠加在指数衰减曲线上的时间调制，由n=3与n=4两个镜势能级间的量子干涉造成，虚线为激励探测光脉冲间的互相关曲线）［26］

此外，利用与上述相同的方法，还可以进一步研究以下的一些课题：

（1）具自旋分辨能力的多光子光电发射。借助于电子自旋探测器与电子能量分析器的组合，研究者们可以直接测量光电子的自旋极化，并可探索自旋行为对参与有关过程那些能级间的依赖特性［31～34］。

（2）纳米粒子系统的多光子光电发射。已经报道了在铂与钯原子簇系统中的四光子激发光电发射［35］、在银纳米颗粒［36，37］以及镀银球形纳米粒子中的双光子激发光电发射［38］。在这些情况下，表面等离子激元可能起着一定的增强作用。

（3）多光子光电发射的成像应用。基于多光子光电发射原理的纳米粒子成像、薄膜纳米结构的成像研究已见报道，其中利用光电发射电子显微镜技术的空间横向分辨率可达20nm［38～42］。