應用分享 | 反光電子能譜IPES專輯之原理篇

固體的電學、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。在半導體材料中，費米能級兩側的電子結構對雜質摻雜、能帶調控以及器件的研發與應用至關重要，尤其是非占據態能級結構，它直接決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，但由于非占據態沒有電子填充，傳統的光電效應方法無法有效獲取其能帶信息。

為了深入探索非占據態的信息，我們需要借助反光電子能譜（Inverse Photoelectron Spectroscopy, 簡稱IPES）這一技術。IPES以電子作為激發源，入射電子被樣品表面捕獲后與非占據態耦合而發生能量衰減，這個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Ek的入射電子與非占據態相互作用后，會輻射出能量為hv的光子，整個過程遵循能量守恒定律。輻射出的光子能量的大小取決于入射動能與非占據態的束縛能，因此通過測量光子能量，我們可以獲得非占據態信息。通過公式Eb = hv – Ek，我們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，我們能夠全方面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為提供了芯能級的電子信息，UPS則揭示了價帶的電子信息，而IPES則展示了導帶的電子信息。這三者的結合，使我們能夠更全方面地了解材料的電子結構和性質，為相關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，已經廣泛應用于表面科學各個領域。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，在實際應用中依然面臨眾多挑戰和限制。這一局限性主要源于反光電子能譜與光電子能譜的電離截面的明顯差異。兩者的關系如下：

其中，σIPES和σPES分別是反光電子能譜與光電子能譜的電離截面，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。對于10 eV動能的電子，其波長e約為0.39 nm；而對于近紫外光，其波長hv約為200 nm。因此，通過上述公式計算，反光電子能譜的電離截面與光電子能譜的電離截面比值約為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。

為了克服這一挑戰并推動反光電子能譜技術的應用發展，當前的研究重點聚焦于提升電子激發源的性能和優化光子探測器的靈敏度。我們團隊將陸續推出關于反光電子能譜（IPES）的專輯，其中設備篇將詳細介紹我們在這方面的新的進展和突破。敬請期待并持續關注我們的后續發布，一同見證反光電子能譜技術的不斷革新與進步。

參考資料

[1]劉樹虎.場發射反光電子能譜儀及應用研究[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.