应用分享 | 反光电子能谱IPES专辑之原理篇

固体的电学、光学和化学性质深受其占据态（occupied state）和非占据态（unoccupied state）电子结构的共同影响。在半导体材料中，费米能级两侧的电子结构对杂质掺杂、能带调控以及器件的研发与应用至关重要，尤其是非占据态能级结构，它直接决定了电荷的转移和输运性能。虽然占据态的电子信息可通过光电子能谱，如XPS和UPS来解析，但由于非占据态没有电子填充，传统的光电效应方法无法有效获取其能带信息。

为了深入探索非占据态的信息，我们需要借助反光电子能谱（Inverse Photoelectron Spectroscopy, 简称IPES）这一技术。IPES以电子作为激发源，入射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，这一过程可以看作是光电子能谱的时间反演过程。在IPES过程中，动能为Ek的入射电子与非占据态相互作用后，会辐射出能量为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束缚能，因此通过测量光子能量，我们可以获得非占据态信息。通过公式Eb = hv – Ek，我们可以精确地计算出非占据态的能级信息。如图1所示，通过结合光电子能谱和反光电子能谱，我们能够全方面描绘出样品的能级分布图。

图1. 反光电子能谱的基本原理

图2展示了酞菁铜（Copper(II) phthalocyanine）的XPS、UPS及IPES谱图。XPS为提供了芯能级的电子信息，UPS则揭示了价带的电子信息，而IPES则展示了导带的电子信息。这三者的结合，使我们能够更全方面地了解材料的电子结构和性质，为相关研究和应用提供了坚实的理论基础。

图2. 酞菁铜的XPS、UPS及IPES谱图

显而易见，X射线光电子能谱技术自上世纪60年代发展至今，已经广泛应用于表面科学各个领域。尽管反光电子能谱技术虽然起源相近，却因能量分辨率低以及信噪比不佳等问题，在实际应用中依然面临众多挑战和限制。这一局限性主要源于反光电子能谱与光电子能谱的电离截面的明显差异。两者的关系如下：

其中，σIPES和σPES分别是反光电子能谱与光电子能谱的电离截面，e和hv分别是光电子能谱激发出的电子波长和反光电子能谱激发出光子波长。对于10 eV动能的电子，其波长e约为0.39 nm；而对于近紫外光，其波长hv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，这一明显差异直接导致了反光电子能谱信号相对微弱以及谱图信噪比的不足。

为了克服这一挑战并推动反光电子能谱技术的应用发展，当前的研究重点聚焦于提升电子激发源的性能和优化光子探测器的灵敏度。我们团队将陆续推出关于反光电子能谱（IPES）的专辑，其中设备篇将详细介绍我们在这方面的新的进展和突破。敬请期待并持续关注我们的后续发布，一同见证反光电子能谱技术的不断革新与进步。

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.