固体材料表面态的光电子能谱

李建喜

光电子能谱技术自二十世纪六十年代迅速发展起来，并成为研究固体材料表面态的最重要和有效的分析技术之一，主要包括X射线光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectroscopy，简称XPS）和紫外光电子能谱（Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy，简称UPS）两个分支体系。

首先，XPS和UPS都属于光电子能谱技术，也就是通过照射样品表面，使得材料中的电子被激发出来，然后测量这些电子的动能，从而得到关于材料的信息。不过，XPS用的是X射线光源，而UPS用的是紫外光源，这应该是它们的一个主要区别。那它们的原理具体有什么不同呢？

在原理方面，X射线光子的能量较高，比如常用的Al Kα或Mg Kα射线，能量在1000eV左右，而紫外光源，比如He I或He II，能量在几十eV左右。所以XPS的激发光子的能量更高，可以激发出内层的电子，而UPS只能激发出外层的价电子。这可能意味着XPS更适合分析元素的组成和化学状态，而UPS更适用于研究价带结构或功函数之类的表面电子结构。

另外，光电子的动能与结合能有关，XPS中，结合能的计算需要知道入射光子的能量，然后根据动能来算。而UPS因为能量较低，可能更关注于价带附近的电子分布。应用方面，XPS常用于材料的元素分析、化学态鉴定，比如检测表面污染、氧化状态等。而UPS可能更多用于研究材料的电子结构，比如能带结构、功函数、价带顶的位置，这在半导体或表面科学中很重要。

两者的相同点应该包括都是基于光电效应，都需要在超高真空环境下进行以避免电子与气体分子的碰撞，都是表面敏感的技术（因为电子的逃逸深度有限），可能分析深度都是几个纳米级别。在仪器结构上可能也有相似之处，比如都需要光源、电子能量分析器、检测器等组件。

不同点的话，除了光源不同，XPS和UPS在应用领域、检测的信息类型、能量范围、分辨率等方面可能有差异。XPS的能量分辨率可能较低，但能覆盖更广的结合能范围，而UPS由于使用低能光子，可能有更高的能量分辨率，适合精细的价带分析。此外，XPS可能需要更高的真空度，或者两者都需要超高真空，这可能是一个共同点。

在具体应用中，XPS可以定量分析元素的含量，而UPS可能更定性，比如观察电子结构的变化。另外，XPS可以探测内层电子的化学位移，而UPS探测的是价带和导带附近的电子状态。这可能使得XPS在化学分析中更常用，而UPS在物理性质分析中更常见，比如研究催化剂表面的电子态，或者有机半导体的能级排列。