應用分享 | 反光電子能譜IPES專輯之原理篇

固體(ti) 的電學、光學和化學性質深受其占據態（occupied state）和非占據態（unoccupied state）電子結構的共同影響。在半導體(ti) 材料中，費米能級兩(liang) 側(ce) 的電子結構對雜質摻雜、能帶調控以及器件的研發與(yu) 應用至關(guan) 重要，尤其是非占據態能級結構，它直接決(jue) 定了電荷的轉移和輸運性能。雖然占據態的電子信息可通過光電子能譜，如XPS和UPS來解析，但由於(yu) 非占據態沒有電子填充，傳(chuan) 統的光電效應方法無法有效獲取其能帶信息。

為(wei) 了深入探索非占據態的信息，我們(men) 需要借助反光電子能譜（Inverse Photoelectron Spectroscopy, 簡稱IPES）這一技術。IPES以電子作為(wei) 激發源，入射電子被樣品表麵捕獲後與(yu) 非占據態耦合而發生能量衰減，這個(ge) 能量通常以輻射衰減的形式釋放出光子，這一過程可以看作是光電子能譜的時間反演過程。在IPES過程中，動能為(wei) Ek的入射電子與(yu) 非占據態相互作用後，會(hui) 輻射出能量為(wei) hv的光子，整個(ge) 過程遵循能量守恒定律。輻射出的光子能量的大小取決(jue) 於(yu) 入射動能與(yu) 非占據態的束縛能，因此通過測量光子能量，我們(men) 可以獲得非占據態信息。通過公式Eb = hv – Ek，我們(men) 可以精確地計算出非占據態的能級信息。如圖1所示，通過結合光電子能譜和反光電子能譜，我們(men) 能夠全方麵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(wei) 提供了芯能級的電子信息，UPS則揭示了價(jia) 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(men) 能夠更全方麵地了解材料的電子結構和性質，為(wei) 相關(guan) 研究和應用提供了堅實的理論基礎。

圖2. 酞菁銅的XPS、UPS及IPES譜圖

顯而易見，X射線光電子能譜技術自上世紀60年代發展至今，已經廣泛應用於(yu) 表麵科學各個(ge) 領域。盡管反光電子能譜技術雖然起源相近，卻因能量分辨率低以及信噪比不佳等問題，在實際應用中依然麵臨(lin) 眾(zhong) 多挑戰和限製。這一局限性主要源於(yu) 反光電子能譜與(yu) 光電子能譜的電離截麵的明顯差異。兩(liang) 者的關(guan) 係如下：

其中，σIPES和σPES分別是反光電子能譜與(yu) 光電子能譜的電離截麵，e和hv分別是光電子能譜激發出的電子波長和反光電子能譜激發出光子波長。對於(yu) 10 eV動能的電子，其波長e約為(wei) 0.39 nm；而對於(yu) 近紫外光，其波長hv約為(wei) 200 nm。因此，通過上述公式計算，反光電子能譜的電離截麵與(yu) 光電子能譜的電離截麵比值約為(wei) 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(wei) 了克服這一挑戰並推動反光電子能譜技術的應用發展，當前的研究重點聚焦於(yu) 提升電子激發源的性能和優(you) 化光子探測器的靈敏度。我們(men) 團隊將陸續推出關(guan) 於(yu) 反光電子能譜（IPES）的專(zhuan) 輯，其中設備篇將詳細介紹我們(men) 在這方麵的新的進展和突破。敬請期待並持續關(guan) 注我們(men) 的後續發布，一同見證反光電子能譜技術的不斷革新與(yu) 進步。

參考資料

[1]劉樹虎.場發射反光電子能譜儀(yi) 及應用研究[D].中國科學院大學.

[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.