Hard X-ray photoelectron diffraction (hXPD) is a well-established method for effective retrieval of structural information. We perform such measurements with momentum microscopy and hard X-ray excitations at synchrotron facilities. The strengths of XPD are its ability to analyse adsorbate geometries and its close relation to photoelectron holography. Elemental selectivity, even sensitivity to the chemical state of an atom, and high site-specificity can be exploited as unique fingerprints of atomic sites in compounds. By combining angle-resolved photoelectron spectroscopy and XPD in a single experiment, electronic and structural information can be obtained simultaneously and under identical conditions (kinetic energy of the photoelectrons, size and position of the probe spot and the probe depth). As an example, hXPD-patterns that have been recorded for a graphite single crystal at various photon energies are presented in Fig. 1.
German:
Harte Röntgen-Photoelektronenbeugung(hXPD) ist eine gut etablierte Methode zur Erlangung struktureller Informationen. Die Messung erfolgt über die Impulsmikroskopie und harter Röntgenanregungen, welche an Synchrotron-Anlagen durchgeführt werden. Die Stärken dieser Messmethodik liegen darin, dass sie Adsorbat-Geometrien bestens analysieren können und nebenbei eine enge Verwandtschaft mit der Photoelektronenholographie besitzen. Die Elementarselektivität und die hohe Ortsauflösung können als einzigartige Fingerabdrücke von atomaren Stellen interpretiert und verwertet werden. Sogar die Empfindlichkeit gegenüber dem chemischen Zustand eines Atoms, ist über diese Methode möglich. Durch die Kombination von winkelaufgelöster Photoelektronenspektroskopie und XPD in einem einzigen Experiment können gleichzeitig und unter identischen Bedingungen elektronische und bandstrukturelle Informationen gewonnen werden (z.B. kinetische Energie der Photoelektronen, Größe und Position des Probenspots und die Proben-Tiefe). Als Beispiel werden hXPD-Muster, die für einen Graphit-Einkristall bei verschiedenen Photonenenergien aufgenommen wurden, präsentiert (siehe Fig . 1.)
The measurement yielded detailed Kikuchi-type diffraction patterns that showed an excellent one to-one agreement with simulations using the Bloch-wave approach, see Fig. 1(d-f). Those experimental results were nominated for DESY Highlights in 2019 and even selected for the cover of the book. Furthermore, hXPD can be used to study inversion symmetry breaking under external stimuli (temperature, strain) [3].
An additional advantage of ToF-MM microscopy is the possibility to measure X-ray photoemission spectroscopy (XPS). For example, we have studied the valence transition in EuPd2Si2 with hard XPS [4,5]. The large inelastic mean free path of the photoelectrons ensures that the results are not affected by effects of the surface (such as different stoichiometry or valence states). Thus, hXPD and XPS measurements on high-quality single crystals were performed to study valence transition in compound EuPd2Si2. We have measured the spectra for Eu 3d core-levels for temperatures 25K ≤ T ≤ 300 K (see Fig. 2, a). It was also found that the valence transition significantly changes the band structure (see Fig. 2, b-e).
German:
Die Messungen lieferten detaillierte Kikuchi-artige Beugungsmuster, die eine ausgezeichnete Übereinstimmung mit den Simulationen des Bloch-Wellen-Ansatz zeigten (Fig. 1 d-f). Die experimentellen Befunde und Ergebnisse wurden 2019 für die DESY Highlights nominiert und schafften es sogar auf das Cover eines Lehrbuches. Darüber hinaus lässt sich die hXPD Methode auch bei externen Stimuli (z.B. bei Temperatur, Dehnung) implementieren, um das Brechen der Inversionssymmetrie zu untersuchen [3]. Ein weiterer Vorteil der in der ToF-MM-Mikroskopie steckt, ist die Möglichkeit, Röntgen-Photoemissionsspektroskopie (XPS) durchzuführen. So ist es uns beispielsweise gelungen, den Valenzübergang in EuPd2Si2 mittels harter XPS zu untersuchen. Die dabei große inelastische freie Weglänge der Photoelektronen stellt sicher, dass Oberflächeneffekte (wie unterschiedliche Stöchiometrien oder Valenzzustände) die gewünschten Ergebnisse nicht verfälschen. Bei den hXPD und XPS Messungen an EuPd2Si2 wurde daher auf Einkristalle zurückgegriffen, die zweckdienlich für die Untersuchung des Materials und der Valenztranslation sind. Hinreichend für die Messung wurde ein Spektrum für die Eu 3D Kernniveaus von 25K ≤ T ≤ 300 K (siehe Fig. 2, a) abgedeckt. Ein weiterer Befund war die signifikante Veränderung in der Bandstruktur durch die Valenzübergänge (Fig. 2, b-e).
[1] O. Fedchenko et al., New J. of Phys. 21, 113031 (2019).
[2] A. Winkelmann et al., New J. Phys. 10 (2008) 113002.
[3] O. Fedchenko et al. J. Phys. Soc. Jpn. 91, 091006 (2022)
[4] O. Fedchenko et al., Phys. Rev. B 109, 085130 (2024). DOI: 10.1103/PhysRevB.109.085130.
[5] S. Kölsch et al., Phys. Rew. Mat. 6, 115003 (2022). DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.6.115003.