【摘 要】
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许多前沿量子材料都存在尺度小的特点,另外大部分材料会存在空间应力、磁序等分布不均匀的问题,而这些不均匀性往往对材料的宏观性质起到决定性作用。具有空间分辨能力的角分辨光电子能谱（Spatial-Resolved ARPES）将ARPES的研究对象从少量长程有序的单晶样品拓展到海量短程有序的多晶和微晶样品,具备十分广阔的应用前景。空间分辨的ARPES需要具有微米级尺度聚焦光斑的光源,相比于X射线,真空
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许多前沿量子材料都存在尺度小的特点,另外大部分材料会存在空间应力、磁序等分布不均匀的问题,而这些不均匀性往往对材料的宏观性质起到决定性作用。具有空间分辨能力的角分辨光电子能谱（Spatial-Resolved ARPES）将ARPES的研究对象从少量长程有序的单晶样品拓展到海量短程有序的多晶和微晶样品,具备十分广阔的应用前景。空间分辨的ARPES需要具有微米级尺度聚焦光斑的光源,相比于X射线,真空紫外激光光源拥有更低的成本,更好的空间相干性以及更高的能量动量分辨能力,但由于其波长比X射线更长,很难通过一级聚焦实现很高的空间分辨能力。目前国际上报道的最小聚焦光斑约为3μm,这在一定程度上限制了深紫外激光光源在复杂量子材料中的研究能力。本课题设计了一套应用于ARPES的亚微米级空间分辨能力的真空紫外激光光学系统。在第二章中,本文利用KBBF倍频晶体获得波长为177nm的真空紫外激光,并对该激光进行光束整形、扩束准直,最终利用超临界菲涅尔波带片实现在长焦（～45mm）条件下的亚微米级（横向0.76μm,纵向1.18μm）聚焦光斑;同时,本文对该光学系统空间分辨能力、扫描成像能力、系统运行稳定性等性能进行了详细的表征测试,并总结出一套面向用户的真空紫外光学系统使用及维护方法。在第三章中,本文成功将所设计的真空紫外激光系统与角分辨光电子能谱仪结合,使其初步具备20μm的空间分辨能力。借助此台具备微区分辨能力的ARPES设备,本文细致的研究了反铁磁拓扑量子材料Mn Bi4Te7的能带结构,发现在其Bi2Te3和Mn Bi2Te4解理面上,始终存在几乎不受反铁磁相影响的拓扑表面态;同时发现,其导带和价带电子结构明显存在与温度变化和反铁磁相变的依赖关系,这些现象为进一步探索[Mn Bi2Te4]m[Bi2Te3]n家族材料中的奇异拓扑性质奠定了基础,也展示了小光斑激光在微区ARPES领域的特殊应用。
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