Polarization selection rules for the photoemission spectra of III–VI semiconductors

Summary

A direct test of band structure calculations is provided by the optical-polarization selection rules which cause marked photon polarization effects in the energy distribution curves (EDC’s). We have employed the University of Wisconsin storage ring as a polarized UV source to study the valence band EDC’s of GaSe, GaS and InSe. Data taken withs- andp-polarized radiation in the photon energy range ℏω=(18÷36) eV show five main structures between the top of the valence band,E _v, and the cationd-core levels. A shallow peak with strongp _z character is present at a distance (0.5÷1.3) eV belowE _v for all the three semiconductors. Polarization effects in the remainder of the valence band EDC’s are different for different materials. For GaSp _z-like contributions are significant down to ∼3.5 eV belowE _v. For InSe, polarization effects influence a doublet nature of the EDC features whose origin is discussed in terms of spin-orbit and crystal-field splittings.

Riassunto

Si fornisce un controllo diretto dei calcoli delle strutture di banda per mezzo delle regole di selezione di polarizzazione ottica che causano effetti marcati di polarizzazione dei fotoni nelle curve di distribuzione del’energia (EDC). Si è adoperato l’anello di accumulazione dell’Università del Wisconsin come una sorgente polarizzata UV per studiare le EDC della banda di valenza di GaSe, GaS e InSe. I dati ottenuti con radiazione polarizzata del tipos ep nel campo di energie del fotone ℏω=(18÷36) eV mostrano 5 strutture principali fra la cima della banda di valenza,E _v, e i livelli dello stratod del catione. Un picco poco profondo con forte caratterep _z è presente ad una distanza (0.5÷1.3) eV sottoE ^v per tutti tre i semiconduttori. Gli effetti di polarizzazione nel resto delle EDC della banda di valenza sono diversi per materiali differenti. I contributi del tipop _z per il GaS sono significantivi fino a ∼3.5 eV sottoE _v. Gli effetti della polarizzazione per l’InSe influenzano la natura di doppietto delle strutture delle EDC la cui origine si discute in termini di separazioni dovute ad accoppiamenti spin-orbita ed al campo cristallino.

Резюме

Правила отбора оптической поляризации обеспечивают непосредственную проверку вычислений зонной стуктуры. Эти правила приводят к заметным эффектам поляризации фотона в кривых энергетических распределений. Мы исполязовали накопителяное кольцо в Университете Висконсина как поляризованный ультрафиолетовый источник для исследования велентных зон GaSe, GaS и InSe. Полученные данные сs- иp-поляризованным излучением в области энергий фотонов ℏщ=(18÷36) эВ обнаруживают пять основных структур между верхней частью валентной зоны,E _v, и катионными уровнямиd-остова. Овнаружен невысокий пик с сильнойp _z особенностью на расстоянии (0.5÷1.3) эВ нижеE _v для всех трех полупроводников. Поляризационные эффекты в остатке кривых энергетических распределений для валентной зоны являются отличными для различных материалов. Для GaSp _z-подобные вклады являются суэественными вплоть до ∼3.5 эВ нижеE _v. Для InSe поляризационные эффекты определяют дудлетнуй природу характеристик кривых энергетических распределений. Обсуждается происхождение этих особенностей в крибых распределений в терминах расщепления, связанного с кристаллическим полем, и спин-орбитального расщепления.