紫外光电子能谱（UPS）

1. 项目介绍

1.1 紫外光电子能谱（UPS，Ultraviolet Photoelectron Spectrometer）用于测定导体或半导体材料的功函数与价带顶结构，是以紫外线为激发光源的光电子能谱技术。激发源的光子能量较低，最常用的低能光子源为氦Ⅰ（He I，21.22 eV）和氦Ⅱ（He II，40.81 eV），线宽窄（约0.01 eV），仅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。

1.2 UPS主要应用于催化、金属腐蚀、粘合、电极过程及半导体材料与器件等领域，用于探索固体表面的组成、形貌、结构、化学状态、电子结构及表面键合等信息。该技术广泛用于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。

1.3 通过UPS可获取材料的功函数、电离能、价带谱及费米能级位置等关键电子结构参数，是半导体器件、光电材料及催化材料研究的重要表征手段。

2. 样品要求

2.1 块体或薄膜样品：尺寸小于1 cm × 1 cm，厚度小于2 mm。样品应新鲜、干燥、表面平整无污染，送样时请标记好测试面。

2.2 粉末样品：实验室通常采用压缩在导电胶上的方式制样。若客户使用旋涂法制样，要求基材材质为ITO、FTO、单晶硅片等半导体材料。旋涂膜应均匀，厚度大于测试深度（>2 nm）。因制样造成的测试数据问题，需由客户自行承担责任。

2.3 尽量注明膜厚度，测试时作为参考。

2.4 UPS光斑大小一般为1×1 mm～3×3 mm；默认激发源为He I（21.22 eV）。

2.5 粉末样品测试风险较大，不建议送检。如确实需要，请知悉：测试反馈真实数据，因样品本身问题导致数据异常，不支持数据解释与复测。下单即默认接受风险。若提供粉末样品，建议多提供（至少50 mg，多多益善）以便实验调整。

2.6 块体样品测试过程中，上下表面会粘贴导电胶，取下后无法完全去除。因此，若无特别说明，UPS块体样品不予保留。UPS仅测试表面约2 nm深度，样品在空气中的放置时间长短也会对结果产生影响，故不支持复测，敬请谅解。

3. 常见问题

3.1 紫外光电子能谱的工作原理？

紫外光电子能谱的工作原理基于光电效应。当能量为hν的紫外光子照射到材料表面时，价带中的电子吸收光子能量后逸出材料表面。这些逸出电子的动能满足关系式：Ek = hν - EB - φ，其中EB是电子在材料中的结合能，φ是材料的功函数。

通过测量逸出电子的动能分布，并利用上述关系式，我们可以反推出电子在材料中的能带结构，包括价带顶位置、电子态密度分布等关键信息。

3.2 样品为什么必须是导体或半导体？

测试UPS的样品必须导电，不然测量出来的WF或者VB不准，如果样品很薄的话，对导电性的要求会比较低，但仍需导电。

3.3 UPS测试加偏压的目的是什么？

给激发出来的表面电子助推，有利于探测器收集。如果不加偏压，信号会比较弱。

3.4 测试UPS带一个金标样的作用是？

主要是校准费米能级的位置。一般费米能级位置偏离值只需要看不加偏压的Au的数据，如果需要分析Au的功函数就需要用加偏压的Au的数据。

3.5 UPS测试中Kinetic Energy 和Binding Energy 如何转换？

Eb+Ek=1486.6。

3.6 HOMO能级能通过UPS测试得到吗？

一般用电化学的循环伏安法测量HOMO，可以把UPS的价带顶作为HOMO，但与真实的HOMO的对应关系还没有定论。UPS测不了材料的所有能级，只能测费米能级、价带。

3.7 粉末样测 UPS 信号不好是为什么？

粉末样品在测试 UPS 时，问题较多，可能的原因有粉末样品导电性较差，形貌粗糙，或者粉末样品表面的污染物比较多，可能还有表面活性剂。我们知道 UPS 的探测深度非常小，通常只有 2-3nm，如果表面有污染，会影响 UPS 谱图。

如果要测试粉末样品的 UPS，建议尽可能提高样品质量，去除表面污染，然后制成薄膜，例如将粉末分散在酒精溶剂中，然后滴涂在导电基底（如硅片）上形成均匀薄膜。为了保证数据可靠，建议在样品表面测试多个数据点，保证数据的可重复性。

3.8 XPS 和 UPS 得到的价带差异在哪？

材料的价态谱既可以利用 UPS 得到，也可以通过 XPS 测得。相比来说，XPS 到的谱信号强度比较弱，需要很长的时间才能得到信噪比好的谱。而 UPS 得到的价态谱强度要大得过，要高 3-4 个数量级，这是因为低能电子相对于 21.22eV 的电子有更大的光电离截面，因此采谱时间更快，同时 UPS 有高的能量分辨率，可以清楚分辨一些比较精细的谱。