新しいX線光電子分光理論によるプラズモン励起機構の解明

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金属や半導体などのX線光電子スペクトル(XPSスペクトル)に現れるプラズモンサテライトピークには顕著な光電子回折効果が実験的に観測されてきたにもかかわらず、これまで計算でその効果を考慮することができなかった。本研究では光電子がプラズモンを励起する前後で周囲原子から受ける弾性散乱の効果を完全に考慮できる量子ランダウ公式を用いて第一プラズモンピークを計算し、弾性散乱、光電子回折効果を考慮したうえで(1)プラズモンピークの形状、(2)3つのプラズモン励起過程:Intrinsic,Extrinsic,そしてそれらの干渉項の相対的重要性を議論することを目的とした。これらの研究により散乱を無視した従来の計算の評価とプラズモン励起機構の包括的理解を目指した。Al(001)面から2s光電子が320eVのX線により励起されて垂直に出射する場合に光電子強度の深さ分布を計算したところ、散乱を無視した場合には表面から約15層のところで強度が0に収束するのに対し、無限回の弾性散乱を考慮すると光電子回折効果により7層目で十分な収束が得られることが分かった。その結果として、最終的な(実験で観測されるスペクトルに対応する)計算スペクトルで、表面プラズモンピークのバルクプラズモンピークに対する相対的重要性は、弾性散乱を考慮した場合により高くなった。光のエネルギーを200eVに変えると、最終的なスペクトルの形状は散乱を入れた場合と入れない場合でほとんど差が見られなかったが、深さ分解したスペクトルには大きな差が見られており、やはり弾性散乱が重要であることが分かった。他にもNa,Liでエネルギーを変えながら計算を行った。光電子回折効果により深さ分布が大きく変化しうること、そして光電子強度のエネルギー依存性に振動が生じることから、結果として表面・バルクプラズモンピークの強度比や、ピークに占めるIntrinsic・Extrinsic過程の寄与が大きく変化しうることが分かった。このことからプラズモン励起過程の正しい理解のためには弾性散乱を含めた計算が非常に重要であることが分かった。