反光电子能谱IPES专辑之原理篇

固体的电子、光学和化学性质主要由占据态（occupied state）和非占据态（unoccupied state）的电子结构决定。在半导体材料中，费米能级两侧的电子结构对杂质掺杂、能带调制以及器件研究与应用具有重要的指导意义，尤其是非占据态能级结构直接决定了电荷的转移输运能力。占据态的电子信息可以通过光电子能谱获得，例如XPS和UPS。但非占据态没有电子填充，所以无法通过光电效应的方式获取其能带信息。因此，我们需要借助反光电子能谱（Inverse Photoelectron Spectroscopy, IPES）来研究非占据态信息。IPES使用电子作为激发源，通过测量辐射出的光子来获取非占据态的能级信息，这个过程也被认为是时间反演的光电子能谱。反光电子能谱、紫外光电子能谱结合X射线光电子能谱可以完整描绘出样品的能级分布图，例如图1为酞菁铜（Copper(II) phthalocyanine）的XPS、UPS及IPES谱图：XPS获取芯能级电子信息，UPS获取价带电子信息，IPES获取导带电子信息。

图1.酞菁铜的XPS、UPS及IPES谱图

IPES表征非占据态能带信息的基本原理如图2所示，当已知能量的电子入射样品表面，电子被样品表面捕获后与非占据态耦合而发生能量衰减，这个能量通常以辐射衰减的形式释放出光子。对于动能为E_k的入射电子，其与非占据态耦合后辐射出能量为hv的光子，整个过程遵循能量守恒定律，辐射出的光子能量的大小取决于入射动能与非占据态的能级差，此时hv就可以作为入射电子能量的函数来反映非占据态的密度信息，通过公式E_b = hv – E_k即可得出非占据态的能级结构。

图2.反光电子能谱的基本原理

众所周知，X射线光电子能谱技术自上世纪60-70年代发展至今，已经广泛应用于表面科学各个领域。然而，与其对应的反光电子能谱技术虽然起源也很早，却因系统分辨率低和信噪比差等原因，至今未能得到广泛应用。这是因为反光电子能谱与光电子能谱的电离截面相差较大，两者的关系如下：

其中，σ_IPES和σ_PES分别为反光电子能谱与光电子能谱的电离截面，l_e和l_hv分别是激发出的电子和光子的波长。对于10 eV动能的电子，l约为0.39 nm；而对于近紫外光，l约为200 nm。因此，通过上述公式计算，反光电子能谱的电离截面与光电子能谱的电离截面比值约为10^-6，这也是反光电子能谱信号较弱，谱峰信噪比较差的原因。为了提高信号强度和谱图分辨率，电子激发源和光子探测器的改进和提高是当前的研发重点。

参考资料

[1]刘树虎.场发射反光电子能谱仪及应用研究[D].中国科学院大学.

[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.