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  • UPS[紫外光电子能谱]

    紫外光电子能谱UPS(Ultroviolet Photoelectron Spectrometer)以紫外线为激发光源的光电子能谱。激发源的光子能量较低,该光子产生于激发原子或离子的退激,最常用的低能光子源为氦Ⅰ和氦Ⅱ。紫外光电子能谱主要用于考察气相原子、分子以及吸附分子的价电子结构。

    编辑摘要

    目录

    背景简介/UPS[紫外光电子能谱] 编辑

    紫外光电子谱的基本原理是光电效应,它被广泛地用来研究气体样品的价电子和精细结构以及固体样品表面的原子、电子结构。

    入射电磁波从物质中击出的光电子产生的谱称为能谱。光电子能谱学(PES) 是二十世纪六十年代随着超高真空技术和电子学技术的发展而迅速发展起来的一支谱学新技术。它是对从样品中击出的光电子进行能量分析,给出丰富的信息。PES能够探测固体材料的表面区域,广泛用于研究材料表面结构和吸附现象,这对材料性能[1]的研究尤为重要。在纵剖面的分析中, PES更有其它方法难以替代的独特功能, 使材料分析领域发生了重大变革。紫外光电子能谱(UPS)的入射辐射属于真空紫外能量范围,击出的是原子或分子的价电子,可以在高分辨率水平上探测价电子的能量分布, 进行电子结构的研究。 对于气态样品, 能够测定从分子中各个被占分子轨道上激发电子所需要的能量,提供分子轨道能级高低的直接图象,为分子轨道理论提供坚实的实验基础。

    原理/UPS[紫外光电子能谱] 编辑

    图1 光电效应示意图 图1 光电效应示意图

    紫外光电子谱的基本原理是光电效应(如图1)。它是利用能量在16-41eV的真 空紫外光子照射被测样品,测量由此引起的光电子能量分布的一种谱学方法。

    忽略分子、离子的平动与转动能,紫外光激发的光电子能量满足如下公式:

    hν=E+E+E

    其中E电子结合能,E电子动能,E原子的反冲能量。

    紫外光电子能谱分析仪简介/UPS[紫外光电子能谱] 编辑

    图2  多功能电子能谱示意图 图2 多功能电子能谱示意图

    紫外光电子能谱仪[2]包括以下几个主要部分:单色紫外光源(hν = 21.2 1eV )、电子能量分析器、真空系统、溅射离子枪源或电子源、样品室、信息放大、记录和数据处理系统(如图2)。

    紫外光源

    紫外光电子能谱的激发源常用稀有气体的共振线如He I、He II。它的单色性好,分辨率高。可用于分析样品外壳层轨道结构、能带结构、空态分布和表面态,以及离子的振动结构、自旋分裂等方面的信息。

    UPS[紫外光电子能谱] UPS[紫外光电子能谱]

    电子能量分析器

    电子能量分析器其作用是探测样品发射出来的不同能量电子的相对强度。它必须在高真空条件下工作即压力要低于10 Pa,以便尽量减少电子与分析器中残余气体分子碰撞的几率。它可以分为磁场式分析器和静电式分析器,而静电式分析器又可以分为 半球型电子能量分析器筒镜式电子能量分析器(CMA)。


      


      

    图3 半球形电子能量分析器 图3 半球形电子能量分析器

    半球型电子能量分析器

    半球型电子能量分析器(如图3)主要是通过改变两球面间的电位差,使不同能量的电子依次通过分析器,它的分辨率很高,可以较精确的测量电子的能量。


      

    筒镜式电子能量分析器

    图4 筒镜电子能量分析器 图4 筒镜电子能量分析器

    筒镜式电子能量分析器(如图4), 它是同轴圆筒,外筒接负电压、内筒接地,两筒之间形成静电场,以使不同能量的电子依次通过分析器,它的灵敏度很高,但是分辨率低。所以现在经常使用的是半球型电子能量分析器。

    检测器

    由于被激发的电子产生的光电流十分小,一般情况下在10 ~10 A范围之内,这样微弱的信号我们很难检测,因此采用电子倍增器作为检测器。

    真空系统

    光电子能谱要研究的是微观的内容,任何微小的东西都会对它产生很大影响,因此光源、样品室、电子能量分析器、检测器都必须在高真空条件下工作,且真空度应在10 Pa 以下。电子能谱仪的真空系统有两个基本功能,其一,使样品室和分析器保持一定的真空度,以便使样品发射出来的电子的平均自由程相对于谱仪的内部尺寸足够大,减少电子在运动过程中同残留气体分子发生碰撞而损失信号强度。其二,降低活性残余气体的分压。因在记录谱图所必需的时间内,残留气体会吸附到样品表面上,甚至有可能和样品发生化学反应,从而影响电子从样品表面上发射并产生外来干扰谱线。

    应用/UPS[紫外光电子能谱] 编辑

    电子能谱目前主要应用于催化、金属腐蚀、粘合、电极过程和半导体材料与器件等这样一些极有应用价值的领域,探索固体表面的组成、形貌、结构、化学状态、电子结构和表面键合等信息。随着时间的推移,电子能谱的应用范围和程度将会越来越广泛,越来越深入。

    由于紫外光电子能谱的光源能量较低,线宽较窄(约为0.01eV),只能使原子的外层价电子、价带电子电离,并可分辨出分子的振动能级,因此它被广泛地用来研究气体样品的价电子和精细结构以及固体样品表面的原子、电子结构。

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    参考资料
    [1]^引用日期:2019-06-04
    [2]^引用日期:2019-06-04
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