測試儀器：UPS紫外光電子能譜儀

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發(fā)表時間：2019-12-17 15:14作者：武漢鑠思百檢測技術(shù)有限公司來源：鑠思百檢測

前言

對于光電子能譜而言，大家比較熟悉的XPS，也是我們在實驗中經(jīng)常遇到的表征。但是，實際上而言，光電子能譜最早是在紫外光激發(fā)下發(fā)現(xiàn)的。也正是因為紫外光輻照下的光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，啟發(fā)了愛因斯坦于1905年提出了著名的光電效應(yīng)方程。

紫外光電子能譜（Ultravioletphotoelectron spectroscopy,UPS）用的是紫外光激發(fā)樣品表面，從而使得樣品表面出射光電子。He燈（HeI激光能量為21.21 eV, He II 為40.82 eV），同步輻射光源由于能量連續(xù)可調(diào)，也可以作為真空紫外光源。

　　紫外光電子能譜 (UPS) 的操作原理同XPS 一樣，唯一的區(qū)別是 UPS 使用幾十 eV 的電離輻射來誘導(dǎo)光電效應(yīng)，而 XPS 則使用高于 1 keV 的光子。在實驗室中，使用氣體放電燈來生成紫外光子。氣體放電燈通常填充氦氣，但也可使用其它氣體填充，如氬氣和氖氣。氦氣發(fā)射的光子能量為 21.2 eV (He I) 和 40.8 eV (He II)。由于使用了更低能量的光子，UPS 不能獲取大多數(shù)核心能級的光電發(fā)射，因此譜采集僅限于價帶區(qū)域。使用 UPS 能進(jìn)行兩種類型的實驗：價帶采集和電子脫出功測量。

　　與XPS相比，紫外光能量較低，因而出射光電子大多來自價電子，很少用于定量分析。但是，價電子一般參與化學(xué)成鍵作用，因此UPS特別適合研究表明的成鍵作用。同時，UPS還能提供固體功函數(shù)，能帶結(jié)構(gòu)等信息。測量能帶結(jié)構(gòu)需要角分辨的UPS（ARUPS）

紫外光電子能譜儀UPS--價帶

XPS 和 UPS 的信息深度區(qū)別

　　許多發(fā)出價帶光電子信號的分子軌道高度雜化，因此結(jié)合能譜峰中的偏移要比在核心能級光電發(fā)射峰中觀測到的更加多樣和微小?；谶@個原因，價帶譜主要是通過指紋譜進(jìn)行材料表征，而單個峰分配則通過在已知電子結(jié)構(gòu)的表面進(jìn)行或與計算研究結(jié)合來實現(xiàn)。正是由于價帶峰分配具有不確定性，這些譜圖不能用于定量分析。

XPS 也廣泛用于采集價帶譜。將 XPS 和 UPS 聯(lián)合用于價帶譜的研究非常有效，因為軌道橫截面的電離取決于入射光子能量。因此通過使用不同能量的光子，可以對不同的電子躍遷和狀態(tài)進(jìn)行檢測。

UPS 還比 XPS 具有更高的表面靈敏度。XPS 固有的表面靈敏度與固體內(nèi)的自由電子非彈性平均自由程（IMFP 或 λ）較短有關(guān)。超過 99%的光電發(fā)射信號從所謂的“信息深度”發(fā)出。按慣例，“信息深度”一般指距表面 3 個平均自由程的長度。XPS 的信息深度通常被認(rèn)為是 10 nm。這只是一個估計值，因為電子的 IMFP 通常由電子運動的固態(tài)媒介材料特性及電子的動能決定，越低動能的電子其自由程越短。UPS 入射光子能量更低，其發(fā)射的光電子動能遠(yuǎn)低于 XPS 中所發(fā)射的光電子動能，由此估計 UPS 的信息深度約為 2-3 nm。

紫外光電子能譜儀UPS--脫出功

使用紫外光電子譜測量材料的脫出功

　　電子脫出功是指費米能級和真空能級之差，它是電子器件開發(fā)需要用到的一種材料性質(zhì)，例如多層器件中需要將價帶與導(dǎo)帶進(jìn)行匹配。脫出功是一種表面性質(zhì)，因此組分的變化或表面結(jié)構(gòu)對其具有非常大的影響，如大氣污染。

　　可從能譜得到電子脫出功，方法是測量費米能級與譜上低動能末端的截止“尾部”之差（即譜寬），再從入射光子能量中減去該差值。當(dāng)然，這個值也可以用 X 射線入射輻射得到，不過 UPS 可以從單個譜中進(jìn)行脫出功計算。

　　在使用光電子能譜測量電子脫出功時，需要對樣品表面施加少量偏壓（通常為 5-10 V），從而將表面的真實脫出功從能譜儀內(nèi)部脫出功中解卷積出來。

紫外光電子能譜儀UPS--檢測項目：

　　可以測試樣品功函數(shù)和價帶位置

紫外光電子能譜儀UPS--應(yīng)用范圍：

　　可以獲得樣品價帶譜信息，對導(dǎo)體、半導(dǎo)體的能帶、帶隙等分析提供主要數(shù)據(jù)，分析樣品的價帶位置和功函數(shù)等。

紫外光電子能譜儀UPS--制樣要求：

1.樣品狀態(tài)：塊狀、薄膜樣品平面尺寸一般要求5*5mm，最大不超過8*8mm，可以為正方形或者長方形，厚度最好不要超過1mm，樣品要求具有一定導(dǎo)電性（表面電阻<10MΩ）。不接受大尺寸樣品測試；

2.粉體樣品需要制備為薄膜，具體制備方法及要求如下：先把粉末樣品分散在水或乙醇里（濃度盡量低點），滴在硅片上烘干，可以多循環(huán)幾次，一定要保證膜表面盡量平整、均勻、連續(xù)、整潔，硅片尺寸5*5mm-5*8mm，厚度幾百μm，涂完膜干燥后膜層以完全覆蓋住硅片即可（膜層厚度10-50nm即可），膜層的電阻最好小于10兆歐，最大不能超過30兆歐。

3.表面分布均勻、清潔無污染。

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武漢鑠思百檢測簡介

武漢鑠思百檢測，是華中地區(qū)專業(yè)的第三方檢測平臺，提供材料檢測服務(wù)，常規(guī)測試3-5個工作日出檢測結(jié)果，鑠思百檢測專業(yè)的實驗室儀器，專業(yè)科研團(tuán)隊碩博測試工程師90%，鑠思百檢測，堅持“恪守信譽(yù)、質(zhì)量第一、客戶第一”