表面电子态的实验测量方法必威体育精装版.ppt

表面电子态的实验测量方法 * 目 录 0 、 引言 1 、 表面电子态研究的发展历史 2 、 反光电子谱 2.1、基本原理 2.2、实验设备 2.3、应用举例 3 、 总结 【参考文献】 * 0、引言 图1 纳米管不饱和侧面的表面VBM电子态 理想表面是指表面层中原子排列的对称性与体内原子完全相同，且表面上不附着任何原子或分子的半无限晶体表面(即晶体的自由表面)。理论分析表明，在表面外侧和内侧，电子的波函数都按指数关系衰减，这表明电子的分布几率在表面处最大，即电子被局限在表面附近。这种电子状态即称作表面态，对应的能级称为表面能级。 图2 (a)?单根CuO纳米线的AFM形貌像，(b)?利用 AFM电流像方法获得的CuO纳 米线的表面态分布图像。 * 表面分析技术是一种统称，指利用电子、光子、离子、原子、强电场、热能等与固体表面的相互作用，测量从表面散射或发射的电子、光子、离子、原子、分子的能谱、光谱、质谱、空间分布或衍射图像，得到表面成分、表面结构、表面电子态及表面物理化学过程等信息的各种技术 图3 各种表面分析仪器 c. 原子力显微镜 b. 扫描隧道显微镜 a.俄歇电子能谱 * 1、表面电子态研究的发展历史 1932~1939年间 I.Tamm 和 W.Shockley 提出的表面量子态问题只是量子力学中的学术性问题。1947年 J.Bardeen 提出半导体表面电子态有相当大的状态密度能影响金属/半导体接触的电学特性，这项研究有有助于后来晶体管的发明。 起步时期 1975年前 全面发展时期 1975~1985年 走向成熟时期 1985年后 表面电子态研究的发展历史大致可分为一下三个时期： * 1）起步时期 新的研究技术 X射线光电子谱（XPS） 俄歇电子谱（AES） 紫外光电子谱（UPS） 低能电子衍射谱（LEEDS） 主要成就 Si-MOS反型层二维电子气的电子态 自洽计算各量子运输理论的建立 局域密度泛函理论结合凝胶模型系数 计算金属的功函数 提出实际理论方法计算Ni和Cu的表面 能级及理想Si(1 1 1)表面电子结构 采用紧束缚近似模型构造格林函数，计 算状态密度、吸附能等 * 新的研究技术 主要成就 反光电子发射谱（IPES） 部分产额谱（PYSS） 角分辨率光电子发射谱（ARPES） 恒定初态谱（CFSS） 高分辨电子能量损失谱（HREELS） 用KKR方法系统计算了约40种 金属的功函数 对半导体表面的弛豫和再构作了 有效而成功的研究 金属/半导体界面的肖特基势垒和 Si(1 1 1)-7x7表面等热点研究 导电聚合物中电子结构和导电机制的研究取得新成果 2） 全面发展时期 * 主要成就 新的研究技术 扫描隧道显微镜（STM） ---可得到原子分辨级的表面原子 结构的实空间图像 扫描隧道谱（STS） ---可获得与表面局域结构相联系 的表面态的实空间图像 对于像Si(1 1 1)-7x7这样复杂表面 结构找到合理的模型 实现有效计算表面态电子结构，可 计入相对论效应和多体效应 摆脱理论落后于实验的局面，已有 能力预测可能出现的结构 对高温超导体费米面结构的理论计 算和实验测定取得很大成就 3）走向成熟时期 * 在表面电子态研究的发展进程中，出现了大量的新技术、新方法，这些技术各具特点，在不同的时期、不同的领域被广泛运用。在这里主要介绍反光电子谱在表面电子态的实验测量中的运用。 * 2、反光电子谱 反光电子谱(Inverse Photoelectron Spectroscopy，IPES)，是研究空表面态的有效方法。它是利用（可调能量的）电子入射到表面而测量 从表面出射的光子，这些光子 是在入射电子跃迁到空的电子 态（包括表面态）时放出的。 光子 电子 光子 电子 图5 反光电子谱中的物理过程 图4 PHI 5000 Versaprobe II 多功能型描 XPS微探针（可分析反光电子能谱） * 图6 反光电发射两种工作模式能级关系图对比 * 2.1 基本原理 图7 PES和IPES功能互补简示 * （1） 图8 * * 2.2 实验设备 IPES的实验设备比较简单，基本设备由具有能量选择特性的光子探测器及入射电子源两个部分组成。 1、光子探测器 现在主要有充碘和氦的G-M计数器及光栅单色仪与电子倍增器相组合的两种实验方案。 ① G-M计数器 这种方案于1977年首次为Dose用于IPES。这种计数器窗口可接近