利用UPS/LEIPS和REELS进行可靠的带隙表征

从20世纪60年代起，半导体一词已家喻户晓，原因是以半导体为材料制造的电子元器件广泛进入大众的日常生活。半导体元件的功能是基于半导体材料的电子性质，因此，研究半导体材料的导电性对其发展至关重要。对半导体材料和电池材料而言，其导电性与带隙的大小有关。带隙是导带底（LUMO）和价带顶（HOMO）的能量之差。通常带隙越大，电子越难从价带激发到导带，电导率也就越低。材料带隙的表征往往通过紫外光电子能谱(UPS)结合低能量反光电子能谱(LEIPS)的方式。这里，我们将介绍一种新的表征带隙的技术——反射电子能量损失谱（REELS）。

01 REELS 

    电子能量损失谱学是研究材料性质的重要手段，它通过分析电子束与材料相互作用过后的非弹性散射电子的能量损失分布，获取材料的本征信息。其原理是利用已知动能的电子束轰击材料，入射电子经历和材料原子的非弹性碰撞，而发生角度偏转与能量交换，能量交换过程来源于对材料的电子态激发，它因而包含了材料的能带结构信息。REELS（反射式电子能量损失谱）是利用特定能量的电子束为激发源，与样品发生非弹性碰撞后测量其反射电子的能量分布。这种能量分布包含由于激发原子态、芯能级和价带跃迁、材料带隙等引起的离散能量损失特征。因此，利用REELS可以进行表面电子态、化学态分析；半导体带隙的测量；H的半定量分析；碳sp2/sp3杂化的鉴定等。

图1. REELS原理的示意图

02 应用

如图2所示，对于SiO2表面，UPS结合LEIPS测试可以得到其带隙为8.8eV，REELS测试得到的带隙为8.9eV。可见，这两种方式测量的带隙结果非常接近。此外，表1还展示了几种典型的半导体和电池材料分别利用这两种方法测试的带隙结果。显然，UPS/LEIPS与REELS测量的材料的带隙结果几乎相同。因此，这两种技术对带隙的测试结果可以互相佐证、相辅相成，从而提供更加可靠的带隙表征结果。

图2.SiO2表面分别通过UPS/LEIPS（上）和REELS（下）获取的能带图

表1：UPS/LEIPS与REELS分别测量带隙的结果

03 小结

PHI VersaProbe系列XPS可搭载一整套UPS/LEIPS分析装置，原位获取材料完整的电子能带结构。同时也能配备REELS分析装置，用于表征带隙，与UPS/LEIPS相辅相成，确保测量结果的准确性。总而言之，UPS/LEIPS联合REELS为材料的带隙表征提供了双重保障。