真空能级：电子达到该能级时完全自由而不受核的作用。
价带：通常是指半导体或绝缘体中，在绝对零度下能被电子 占满的最高能带。
导带：由自由电子形成的能量空间。
EC EF EV
(EV-EGa 3d )b =18.81eV
Evac 界面
ECS
W
ΦB
EVS
EGa 3d
过掺杂会使费米能级 进入价带（p型半导体） 或导带（n型半导体）
岛津/KratosAXISULTRADLD多功能光电子能谱
2016.04.26
X 射线光电子能谱（ XPS ，全称为X-ray Photoelectron Spectroscopy）是一种基于光电效应的电子能谱，又名化学分析电子能 谱（ ESCA，全称为Electron Spectroscopy for Chemical Analysis）。
强度单位: cps X射线源
分辨率 2000×800 700×300
110
55
27
15
Mg Kα Mono(Al Kα)
0.8eV 1.0eV 1.3eV
0.48eV
0.55eV
1,100,000 9,200,000 11,800,000
—— ——
900,000 4,750,000 7,500,000 250,000 750,000
EGa 3d
n型GaAs表面的能带图
EGa 3d 为n型GaAs的最浅芯能级，He II激发的UPS谱中精确测定，(EV-EGa 3d )b 是GaAs体内Ga 3d能级到价带顶的能量间隔，可采用文献报道的精确值。 EF-EVS =EGa 3d -(EV-EGa 3d )b ,由于禁带宽度Eg ＝Ec －EV = EcS －EVS ，表 面势垒高度ΦB 和电子亲和势I、测定的样品功函数W的关系：I＝W－ΦB
成像：元素及化学状态XPS二维成像（空间分辨率3μm），SAM/AES二维成像 （电子枪分辨率100nm）； 价电子：能带分析和逸出功测试；
深度剖析：角分辨和离子溅射剖析，表面/界面分析，厚度分析；
最常用的表面与微区分析技术典型的测试深度
IS S Contact angle TOF SIMS XP S AES TXRF SEM GDMS Raman RB S ICPMS LEXES XR R FTIR EDS STEM XR D XR F
凯.西格班 （K. Siegbahn） ，瑞典乌普萨拉 (Uppsala)大学，研制开发出的一种新型表面分析仪 器和方法，于1954年获得氯化钠的首条高能高分辨 X射线光电子能谱，1969年首台商业单色X射线光电 子能谱仪，1981年诺贝尔物理学奖。
主要仪器厂家：岛津-Kratos公司、日本真空PHI公司、美国热电-VG公司等
二、基本原理与概念
2.1 基本原理
EXCITATION
光子
离子
电子
电子 EMISSION
• 发射源: 光子 (X射线)
样品
• 探测源: 电子 (光电子)
TRANSMISSION
X-rays in
photoelectrons out
Sample Surface Layer
BE= h ν-KE- Φ s
现今XPS的资源及标准： NIST XPS标准谱图 Handbook of X-ray Photoelectron Spectroscopy 网上资源汇总：
一、X射线光电子能谱的测试范围
表面 10nm 薄膜 100nm
体相
表面分析
定性：除H，He以外元素种类及化学状态（化学位移）信息(含量>0.1at%)； 定量：元素及化学状态定量；
3 nm 10 nm 100 nm
1,000 nm
Top surface Near surface Thin film
Coating
Bulk substrate
所内实验室附件
X射线光电 子能谱仪
(XPS)
紫外光电子 能谱仪 (UPS)
俄歇电子能 离子散射谱 谱仪(AES) 仪(ISS)
单色化Al/Ag靶、非单色化Al/Mg靶 同轴荷电中和枪 磁悬浮低能高效离子枪 高低温温度控制器
photon
Φs
valence band
KE Ev
Ef BE
core levels来自2.2 基本概念 结合能E b ：将一个电子从一指定的电子能级移到自由原 子或分子的真空能级，所必须消耗的能量。
逸出功W：费米能级和刚好在指定表面以外的最高势能间 的电子势能之差。
费米能级：对于金属，绝对零度下，电子占据的最高能级就 是费米能级。
束斑（μm） 110
2,000 10,000 15,000
—— 100,000
—— 3,000 9,000
—— 15,000 ——
500 1,500
XPS成像空间分辨率<3μm； 紫外光电子能谱(UPS) 以表面清洁Ag4d在140 emV 分辨
率下，灵敏度1,000,000 cps ，He I和 He II比例小于4：1 低能量悬浮离子枪能量范围：50eV~5000eV，Ar离子枪
200,000 1,200,000 1,800,000
45,000 135,000
50,000 300,000 450,000 12,000 36,000
绝缘体聚乙烯对苯二酸酯(PET)上性能
Resolution 分辨率
0.68eV 1.0eV 1.3eV
束斑（μm） 700×300
12,000 100,000 150,000
技术指标
厂 商：日本岛津公司 型 号: AXIS ULTRA DLD
到货日期：2008年6 月
GB/T 22571-2008 表面化学分析 X射线光电子能谱仪能量标
尺的校准
X射Sou线rce 源：Reso1lut5ionkV束,斑3（0μmm） A束斑(4（5μm0）W束)斑（清μm洁） 的束斑（Aμgm）3束d斑5（/μ2m光） 束电斑（子μm峰） ，
在Ta2O5刻蚀速率40nm/min@4keV， 2.2nm/min@500eV 扫描电子显微镜(SEM)场发射电子枪10kV，样品电流5nA 下，分辨率<100nm 。 俄歇电子能谱测量Cu LMM峰在10nA束流，10kV束能， 相对能量分辨率0.4%±0.05%下，灵敏度>50,000cps/nA， 信噪比500：1