X射线光电子能谱原理

光电效应

说到光电子能谱，就不能不提到光电效应（Photoelectric effect）。众所周知，阿尔伯特·爱因斯坦因为提出光电效应的理论机制而获得诺贝尔奖。

光电效应首先由德国物理学家Heinrich Rudolf Hertz于1887年在研究电磁波的过程中发现。关于光电效应的系统性实验则是由另一位德国物理学家Philipp Eduard Anton von Lénárd完成。

图 67 中左图是光电效应的示意图，当光照在样品上且光子能量超过材料的逸出功，吸收了光子的电子就会被激发到真空中。电子的动能Ek等于光子能量hv和逸出功W0的差值。图 67 中右图则是光电效应的实验示意图。需要注意的是，发射极和收集级是处于高真空环境的。

光电子能谱原理

光电子能谱是利用光电效应对材料中电子的结合能进行测量的技术手段。使用X射线作为光源的称为XPS，使用紫外线作为光源的称为UPS。

1. 如 图 68 (a) 所示，当X射线（或紫外线）照射到样品表面时，激发出光电子。

2. 对于固体中的电子，如 图 68 (b) 所示，占据态的结合能在费米能级以下，主要由价带和芯能级组成。

3. 形成光电子后，如 图 68 (c) 所示，光电子的动能直接反映了电子在材料中的结合能。

4. 通过 图 68 (d) 中半球形能量分析器对光电子动能的探测，就能够得到信号强度和电子在材料中结合能的关系，也就是我们通常看到的X射线光电子能谱。

需要注意的是，在实际测量过程中，通过分析器的电子，能量通常是固定的，我们称之为通过能或通能（pass energy）。一般来说，通能越小能量分辨率越高，但是信号越弱，当信噪比过低时反而会降低分辨率。因此，在实验中需要根据实际情况选择合适的通能。