紫外光電子能譜

紫外光電子能譜UPS（ultraviolet photo-electron spectroscopy）以紫外線為激發光源的光電子能譜。激發源的光子能量較低，該光子產生於激發原子或離子的退激，最常用的低能光子源為氦Ⅰ和氦Ⅱ。紫外光電子能譜主要用於考察氣相原子、分子以及吸附分子的價電子結構。

基本介紹

• 中文名：紫外光電子能譜
• 外文名：ultraviolet photo-electron spectroscopy（UPS）
• 所屬學科：化學
• 專業：光電子能譜

背景簡介

紫外光電子譜的基本原理是光電效應，它被廣泛地用來研究氣體樣品的價電子和精細結構以及固體樣品表面的原子、電子結構。

入射電磁波從物質中擊出的光電子產生的譜稱為能譜。光電子能譜學（PES） 是二十世紀六十年代隨著超高真空技術和電子學技術的發展而迅速發展起來的一支譜學新技術。它是對從樣品中擊出的光電子進行能量分析，給出豐富的信息。PES能夠探測固體材料的表面區域，廣泛用於研究材料表面結構和吸附現象，這對材料性能的研究尤為重要。在縱剖面的分析中, PES更有其它方法難以替代的獨特功能, 使材料分析領域發生了重大變革。紫外光電子能譜(UPS)的入射輻射屬於真空紫外能量範圍，擊出的是原子或分子的價電子，可以在高解析度水平上探測價電子的能量分布, 進行電子結構的研究。 對於氣態樣品, 能夠測定從分子中各個被占分子軌道上激發電子所需要的能量，提供分子軌道能級高低的直接圖象，為分子軌道理論提供堅實的實驗基礎。

原理

紫外光電子譜的基本原理是光電效應（如圖1）。它是利用能量在16-41eV的真空紫外光子照射被測樣品，測量由此引起的光電子能量分布的一種譜學方法。

圖1 光電效應示意圖

忽略分子、離子的平動與轉動能，紫外光激發的光電子能量滿足如下公式：

hν=E_b+E_k+E_r，

其中E_b電子結合能，E_k電子動能，E_r原子的反衝能量。

紫外光電子能譜分析儀簡介

紫外光電子能譜儀包括以下幾個主要部分：單色紫外光源(hν = 21.2 1eV)、電子能量分析器、真空系統、濺射離子槍源或電子源、樣品室、信息放大、記錄和數據處理系統（如圖2）。

圖2 多功能電子能譜示意圖

紫外光源

紫外光電子能譜的激發源常用稀有氣體的共振線如He I、He II。它的單色性好，解析度高。可用於分析樣品外殼層軌道結構、能帶結構、空態分布和表面態，以及離子的振動結構、自旋分裂等方面的信息。

電子能量分析器

電子能量分析器其作用是探測樣品發射出來的不同能量電子的相對強度。它必須在高真空條件下工作即壓力要低於10 Pa，以便儘量減少電子與分析器中殘餘氣體分子碰撞的幾率。它可以分為磁場式分析器和靜電式分析器，而靜電式分析器又可以分為半球型電子能量分析器和筒鏡式電子能量分析器（CMA）。

半球型電子能量分析器

圖3 半球形電子能量分析器

半球型電子能量分析器（如圖3）主要是通過改變兩球面間的電位差，使不同能量的電子依次通過分析器，它的解析度很高，可以較精確的測量電子的能量。

筒鏡式電子能量分析器

筒鏡式電子能量分析器（如圖4），它是同軸圓筒，外筒接負電壓、內筒接地，兩筒之間形成靜電場，以使不同能量的電子依次通過分析器，它的靈敏度很高，但是解析度低。所以現在經常使用的是半球型電子能量分析器。

圖4 筒鏡電子能量分析器

檢測器

由於被激發的電子產生的光電流十分小，一般情況下在10～10A範圍之內，這樣微弱的信號我們很難檢測，因此採用電子倍增器作為檢測器。

真空系統

光電子能譜要研究的是微觀的內容，任何微小的東西都會對它產生很大影響，因此光源、樣品室、電子能量分析器、檢測器都必須在高真空條件下工作，且真空度應在10 Pa 以下。電子能譜儀的真空系統有兩個基本功能，其一，使樣品室和分析器保持一定的真空度，以便使樣品發射出來的電子的平均自由程相對於譜儀的內部尺寸足夠大，減少電子在運動過程中同殘留氣體分子發生碰撞而損失信號強度。其二，降低活性殘餘氣體的分壓。因在記錄譜圖所必需的時間內，殘留氣體會吸附到樣品表面上，甚至有可能和樣品發生化學反應，從而影響電子從樣品表面上發射並產生外來干擾譜線。

套用

電子能譜目前主要套用於催化、金屬腐蝕、粘合、電極過程和半導體材料與器件等這樣一些極有套用價值的領域，探索固體表面的組成、形貌、結構、化學狀態、電子結構和表面鍵合等信息。隨著時間的推移，電子能譜的套用範圍和程度將會越來越廣泛，越來越深入。

由於紫外光電子能譜的光源能量較低，線寬較窄（約為0.01eV),只能使原子的外層價電子、價帶電子電離，並可分辨出分子的振動能級,因此它被廣泛地用來研究氣體樣品的價電子和精細結構以及固體樣品表面的原子、電子結構。