固體的電學(xué)、光學(xué)和化學(xué)性質(zhì)深受其占據(jù)態(tài)（occupied state）和非占據(jù)態(tài)（unoccupied state）電子結(jié)構(gòu)的共同影響。在半導(dǎo)體材料中，費(fèi)米能級(jí)兩側(cè)的電子結(jié)構(gòu)對(duì)雜質(zhì)摻雜、能帶調(diào)控以及器件的研發(fā)與應(yīng)用至關(guān)重要，尤其是非占據(jù)態(tài)能級(jí)結(jié)構(gòu)，它直接決定了電荷的轉(zhuǎn)移和輸運(yùn)性能。雖然占據(jù)態(tài)的電子信息可通過(guò)光電子能譜，如XPS和UPS來(lái)解析，但由于非占據(jù)態(tài)沒(méi)有電子填充，傳統(tǒng)的光電效應(yīng)方法無(wú)法有效獲取其能帶信息。

為了深入探索非占據(jù)態(tài)的信息，我們需要借助反光電子能譜（Inverse Photoelectron Spectroscopy, 簡(jiǎn)稱(chēng)IPES）這一獨(dú)特技術(shù)。IPES以電子作為激發(fā)源，入射電子被樣品表面捕獲后與非占據(jù)態(tài)耦合而發(fā)生能量衰減，這個(gè)能量通常以輻射衰減的形式釋放出光子，這一過(guò)程可以看作是光電子能譜的時(shí)間反演過(guò)程。在IPES過(guò)程中，動(dòng)能為Ek的入射電子與非占據(jù)態(tài)相互作用后，會(huì)輻射出能量為hv的光子，整個(gè)過(guò)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(dòng)能與非占據(jù)態(tài)的束縛能，因此通過(guò)測(cè)量光子能量，我們可以獲得非占據(jù)態(tài)信息。通過(guò)公式Eb = hv – Ek，我們可以精確地計(jì)算出非占據(jù)態(tài)的能級(jí)信息。如圖1所示，通過(guò)結(jié)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(jí)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(jí)的電子信息，UPS則揭示了價(jià)帶的電子信息，而IPES則展示了導(dǎo)帶的電子信息。這三者的結(jié)合，使我們能夠更全方面地了解材料的電子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，為相關(guān)研究和應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

圖2. 酞菁銅的XPS、UPS及IPES譜圖

眾所周知，X射線(xiàn)光電子能譜技術(shù)自上世紀(jì)60年代發(fā)展至今，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于表面科學(xué)各個(gè)領(lǐng)域。盡管反光電子能譜技術(shù)雖然起源相近，卻因能量分辨率低以及信噪比不佳等問(wèn)題，在實(shí)際應(yīng)用中依然面臨眾多挑戰(zhàn)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(guān)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(fā)出的電子波長(zhǎng)和反光電子能譜激發(fā)出光子波長(zhǎng)。對(duì)于10 eV動(dòng)能的電子，其波長(zhǎng)e約為0.39 nm；而對(duì)于近紫外光，其波長(zhǎng)hv約為200 nm。因此，通過(guò)上述公式計(jì)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(dǎo)致了反光電子能譜信號(hào)相對(duì)微弱以及譜圖信噪比的不足。

為了克服這一挑戰(zhàn)并推動(dòng)反光電子能譜技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展，當(dāng)前的研究重要聚焦于提升電子激發(fā)源的性能和優(yōu)化光子探測(cè)器的靈敏度。我們團(tuán)隊(duì)將陸續(xù)推出關(guān)于反光電子能譜（IPES）的專(zhuān)輯，其中設(shè)備篇將詳細(xì)介紹我們?cè)谶@方面的新的進(jìn)展和突破。敬請(qǐng)期待并持續(xù)關(guān)注我們的后續(xù)發(fā)布，一同見(jiàn)證反光電子能譜技術(shù)的不斷革新與進(jìn)步。

參考資料

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[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.