應用分享 | 反光電子能譜IPES專(zhuān)輯之原理篇

固體的電學(xué)、光學(xué)和化學(xué)性質(zhì)深受其占據態(tài)（occupied state）和非占據態(tài)（unoccupied state）電子結構的共同影響。在半導體材料中，費米能級兩側的電子結構對雜質(zhì)摻雜、能帶調控以及器件的研發(fā)與應用至關(guān)重要，尤其是非占據態(tài)能級結構，它直接決定了電荷的轉移和輸運性能。雖然占據態(tài)的電子信息可通過(guò)光電子能譜，如XPS和UPS來(lái)解析，但由于非占據態(tài)沒(méi)有電子填充，傳統的光電效應方法無(wú)法有效獲取其能帶信息。

為了深入探索非占據態(tài)的信息，我們需要借助反光電子能譜（Inverse Photoelectron Spectroscopy, 簡(jiǎn)稱(chēng)IPES）這一技術(shù)。IPES以電子作為激發(fā)源，入射電子被樣品表面捕獲后與非占據態(tài)耦合而發(fā)生能量衰減，這個(gè)能量通常以輻射衰減的形式釋放出光子，這一過(guò)程可以看作是光電子能譜的時(shí)間反演過(guò)程。在IPES過(guò)程中，動(dòng)能為Ek的入射電子與非占據態(tài)相互作用后，會(huì )輻射出能量為hv的光子，整個(gè)過(guò)程遵循能量守恒定律。輻射出的光子能量的大小取決于入射動(dòng)能與非占據態(tài)的束縛能，因此通過(guò)測量光子能量，我們可以獲得非占據態(tài)信息。通過(guò)公式Eb = hv – Ek，我們可以精確地計算出非占據態(tài)的能級信息。如圖1所示，通過(guò)結合光電子能譜和反光電子能譜，我們能夠全方面描繪出樣品的能級分布圖。

圖1. 反光電子能譜的基本原理

圖2展示了酞菁銅（Copper(II) phthalocyanine）的XPS、UPS及IPES譜圖。XPS為提供了芯能級的電子信息，UPS則揭示了價(jià)帶的電子信息，而IPES則展示了導帶的電子信息。這三者的結合，使我們能夠更全方面地了解材料的電子結構和性質(zhì)，為相關(guān)研究和應用提供了堅實(shí)的理論基礎。

圖2. 酞菁銅的XPS、UPS及IPES譜圖

顯而易見(jiàn)，X射線(xiàn)光電子能譜技術(shù)自上世紀60年代發(fā)展至今，已經(jīng)廣泛應用于表面科學(xué)各個(gè)領(lǐng)域。盡管反光電子能譜技術(shù)雖然起源相近，卻因能量分辨率低以及信噪比不佳等問(wèn)題，在實(shí)際應用中依然面臨眾多挑戰和限制。這一局限性主要源于反光電子能譜與光電子能譜的電離截面的明顯差異。兩者的關(guān)系如下：

其中，σIPES和σPES分別是反光電子能譜與光電子能譜的電離截面，e和hv分別是光電子能譜激發(fā)出的電子波長(cháng)和反光電子能譜激發(fā)出光子波長(cháng)。對于10 eV動(dòng)能的電子，其波長(cháng)e約為0.39 nm；而對于近紫外光，其波長(cháng)hv約為200 nm。因此，通過(guò)上述公式計算，反光電子能譜的電離截面與光電子能譜的電離截面比值約為10-6，這一明顯差異直接導致了反光電子能譜信號相對微弱以及譜圖信噪比的不足。

為了克服這一挑戰并推動(dòng)反光電子能譜技術(shù)的應用發(fā)展，當前的研究重點(diǎn)聚焦于提升電子激發(fā)源的性能和優(yōu)化光子探測器的靈敏度。我們團隊將陸續推出關(guān)于反光電子能譜（IPES）的專(zhuān)輯，其中設備篇將詳細介紹我們在這方面的新的進(jìn)展和突破。敬請期待并持續關(guān)注我們的后續發(fā)布，一同見(jiàn)證反光電子能譜技術(shù)的不斷革新與進(jìn)步。

參考資料

[1]劉樹(shù)虎.場(chǎng)發(fā)射反光電子能譜儀及應用研究[D].中國科學(xué)院大學(xué).

[2] Hiroyuki Yoshida. Principle and application of low energy inverse photoemission spectroscopy: A new method for measuring unoccupied states of organic semiconductors[J], Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena, 2015, 204: 116-124.