【正文】 Ts=n1’b1+ n2’b2 如 b1=pa1， b2=qa2 (p和 q都是整數(shù)） 則表面原子的排列可表示為 H(hkl)P(p?q)D 其中 P表示原胞基矢互相平行， P可忽略。 ? 如表面原胞不僅在尺寸上與襯底不同，在方向上也旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度 ?，則表面原子的排列可表示為 若 P(p?q)非原胞，在晶胞中心有一個(gè)格點(diǎn)，則可以 C(p?q)表示。如 可用 表示 DRababhk lH ?? ?2211)(?4522 R? )22( ?C77)111( ?Si?2? ? SRNi ?? ?4522)001(SCNi ?? )22()0 0 1( ? 表面科學(xué)的研究對(duì)象主要 指幾個(gè)、十幾個(gè)或幾十個(gè)原子層甚至納米厚的表面層及固體表面原子或分子吸附層 ，它也包括 固 固、固 液界面 ? 表面或界面的 化學(xué)組成 和 原子排列 與體內(nèi)不同，可能形成 表面弛豫和再構(gòu) 。 ? 固體內(nèi)部的三維周期勢 在表面或界面不連續(xù) ，從而形成 表面態(tài)和界面態(tài) 。 ? 固體表面或界面具有 與體內(nèi)不同的力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)和化學(xué)性質(zhì) ? 表面科學(xué)促進(jìn)了新型高科技材料的發(fā)展 光電子能譜探測的光電子通常來自最外層一、二個(gè)至十幾個(gè)原子層的光電子，因此 它可以提供對(duì)表面非常敏感的信息 ，如 表面 元素組成、表面原子排列、吸附原子或分子的位置以及表面電子結(jié)構(gòu)等 。 二、 光電子能譜的實(shí)驗(yàn)裝置 光電子能譜儀的基本組成 作為測量光電子能譜的實(shí)驗(yàn)設(shè)備 光電子能譜儀主要由以下幾部分組成： 激發(fā)光源，光電子分析和檢測設(shè)備，樣品的固定裝置，樣品的處理設(shè)備，樣品的傳遞裝置，安裝以上設(shè)備的超高真空系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng) 。在能譜儀中還可能配置其它表面分析與測量裝置，如觀察原子表面排列的低能電子衍射儀（ LEED），進(jìn)行樣品成份分析的俄歇譜儀（ AES），進(jìn)行氣體成份分析的四極質(zhì)譜（ QMS）。 用于探測 光電子的譜儀分析室必須在超高真空環(huán)境中，其殘余氣體的壓強(qiáng)不能高于 108Pa。這一方面可以避免由樣品中逸出的光電子受到其它原子或分子的碰撞，另一方面，由于光電子能譜的高度表面敏感性，可以使樣品表面免受到環(huán)境中殘余氣體的沾污。如殘余氣體的粘附系數(shù)為 1，在 10－ 4Pa的壓強(qiáng)下， 1秒就能覆蓋一個(gè)單原子層，而在 10－ 7Pa的壓強(qiáng)下覆蓋一個(gè)單原子層則需 1小時(shí) ? 樣品被分析之前 ， 必須 在原位對(duì)樣品表面進(jìn)行清潔處理 。 一種常用的方法是用氬離子槍轟擊表面 ， 從而清除表面沾污的外來原子和分子 。 對(duì)于單晶樣品 ，轟擊后還必須進(jìn)行退火處理以消除表面損傷并使表面原子有序排列 。 ? 另一種獲得清潔有序表面的方法 ， 即 在超高真空中沿被測材料的解理面進(jìn)行解理 。 當(dāng)然 ， 人們也可以利用分子束外延等設(shè)備原位生長樣品以獲得符合化學(xué)配比的清潔有序表面 ， 再在超高真空環(huán)境下傳遞到譜儀中進(jìn)行分析 。 VG Multilab System 激發(fā)光源： ? 選擇條件：光子能量合適，強(qiáng)度較高，譜線 較窄 ? 常規(guī)光源： X射線源 :高能電子轟擊陽極靶后，產(chǎn)生的特征 X射線 ? Mg K? Al K? 對(duì)應(yīng)這兩種原子 2p?1s的躍遷 常規(guī)的 UPS是惰性氣體放電所獲得的紫外光。它的產(chǎn)生是由于原子或離子中的電子被激發(fā)后由激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)而產(chǎn)生的 。 He是用得最多的放電氣體。在放電時(shí)可產(chǎn)生 2p?1s的躍遷 He I表示中性 He原子的輻射，而 He II則來自單重電離 He+的輻射。 紫外光源 HeI HeII ? 同步輻射 X射線槍 真空紫外燈 能量 分析器 1）一般介紹 ： 能量 分析器可以 將具有某種能量的光電子選擇出來，而把其它能量的光電子濾除 。通過掃描，依次選擇不同能量的電子，從而得到光電子的能量分布曲線?？梢姡?能量 分析器是能譜儀的核心部件。通常要求 能量 分析器具有高的電子能量分辨率和透過率（傳輸系數(shù)） 。 常用的能量分析器都是靜電型的。以半球型（ HAS）和筒鏡型（ CMA）分析器最為多見。 HAS用于電子能譜儀， CMA較多的用于俄歇譜儀。 ESCA System for XPS and AES Measurement 2）半球型能量分析器的工作原理 HAS有兩個(gè)同心的半球面組成。兩半球間電場強(qiáng)度 如電子由平均半徑 a=(r1+ r2)/2垂直射入，速度為 v，能量為 E=mv2/2。如要求該電子在分析器中作圓周運(yùn)動(dòng)，則 ? ? 21221 1rrrrrVr????? ? amvarrrrVeae 221221 1 ????? 由此可解得 通過改變內(nèi)外球的電勢差 ΔV 可選擇具有不同能量 E的電子。 ErrrreV ???????? ???21121 半球型能量分析器示意圖 3）半球型能量分析器的分辨率和透過率 在實(shí)際的電子能量分析器中，盡管 ΔV 具有確定值，所通過的電子能量也不可能是單一的。一般說來，它會(huì)在中心值附近有一個(gè)能量分布，即形成一個(gè)譜峰 。如果我們把譜峰的中心值定為 E，譜峰的半高寬定為 ΔE ，則能量分析器的 分辨率 定義為 半球型能量分析器的分辨率為 其中 W為入、出射狹縫寬度， a為平均半徑 狹縫寬度越小，球半徑越大，分辨率越高 。 EER ??aWEER2??? 透過率： 除去分辨率外，能量分析器還有一個(gè)指標(biāo)就是透過率。能量分析器的透過率就是指 收集到的一定能量的電子占所有發(fā)射該能量電子的百分比 。它表示能量分析器對(duì)電子的傳輸能力，因此又稱 傳輸率 。半球型能量分析器的透過率 T可用下式表示 T=?/4? 其中 ?為射入部分的立體角 狹縫越寬， 透過率越大 。 4）半球型能量分析器的減速透鏡 由以上結(jié)果我們可以看到，分辨率和透過率的要求互相有矛盾。對(duì)同樣的平均半徑，如要分辨率高，則透過率就差。為了提高能量分析器的性能，人們在半球型能量分析器的入口處安裝 減速透鏡 ，使電子經(jīng)過預(yù)減速透鏡后，再進(jìn)入能量分析器。 電子經(jīng)過預(yù)減速透鏡后，再進(jìn)入能量分析器。其能量由 E減到 E’。如沒有減速透鏡時(shí)的分辨率為 R，則加上減速透鏡后，分析器的分辨率可放寬到(E/E’)R，而整個(gè)系統(tǒng)的分辨率仍可保持 R。此時(shí)，狹縫寬度可增加 E/E’倍。 減速透鏡的使用， 不僅能對(duì)分析器分辨率要求降低，而且它能將樣品表面一定立體角的光電子會(huì)聚到分析器入口，從而在一定程度上提高了整個(gè)系統(tǒng)的傳輸系數(shù) 。此外，使用減速透鏡后，可增大分析器與樣品的距離，從而增加了樣品室的操作空間 5） 角積分和角分辨電子能量分析器 在光電子能譜的實(shí)驗(yàn)中，一種 要求能量分析器接受一定立體角的所有光電子信號(hào)，稱為角積分能量分析器 ，供角積分光電子能譜使用。它的能量分析器通常固定在樣品室上?？梢宰龅妮^大。另一種 要求能量分析器只接受來自特定方位角和極化角的光電子，稱為角分辨能量分析器 ，供角分辨光電子能譜使用。角分辨能量分析器不僅有能量分辨的要求，還要有角度分辨的要求。它的入口較小，需固定在一個(gè)機(jī)械裝置上可在真空外對(duì)它作二維轉(zhuǎn)動(dòng)。它只能做的較小。 VG ARUPS10 energy analyzer Detector: MCP analyzer Polar Rotation： 360 degrees Azimuthal: +5 to 95 degrees Angle Resolution: degree Optimal Specification: 75 meV (XPS, Mg k?) 光電子探測器 1） 單道電子倍增器 從能量分析器出射的光電子信號(hào)比較弱，可弱到100cts/s，只有經(jīng)過放大后，才能被電子線路放大。 光電子信號(hào)通常由電子倍增器進(jìn)行放大 。它由內(nèi)壁涂以具有高二次電子產(chǎn)額的膜的玻璃管做成，其入口是一個(gè)錐形喇叭口。入口與底部加高壓。光電子打到喇叭口后，產(chǎn)生更多的二次電子，在高壓作用下，電子經(jīng)多次倍增，最后可獲得高達(dá) 108的增益。 單道電子倍增器原理圖 2） 微通道板電子倍增器 為了提高譜儀的探測靈敏度，人們又發(fā)展了微通道板電子倍增器。 它實(shí)際上是由許多小的溝道電子倍增器組成的一維或二維陣列 。在半球型能量分析器中，能量略有差異的電子會(huì)聚在出口焦平面的不同位置處。如將微通道板放在分析器的出口處，其不同單元或不同通道對(duì)應(yīng)不同能量。這不僅增加了電子接受面積，增強(qiáng)了信號(hào)，而且在記錄時(shí)，對(duì)每一通道都有一個(gè)計(jì)數(shù)累加的作用，因而提高了信噪比。 光電子能譜的數(shù)據(jù)采集和處理 1）光電子能譜儀的掃描方式 能量分析器中采用了減速透鏡后，光電子能譜儀可采用兩種掃描方式。一種是 固定減速比（ FRR）方式 ：從樣品中發(fā)射的電子，其能量 E按固定比例減到E’，且 E’=kE,k為常數(shù)。另一種是 固定通過能量（ FAT）方式 ：不管出射電子原有能量是多少，都被減速到一個(gè)固定的能量進(jìn)入分析器。 ? FRR方式的分辨率 (?E/E）在整個(gè)掃描區(qū)域相同。 FAT方式的分辨率 (?E/E）在整個(gè)掃描區(qū)域并不相同，但譜線寬度 (?E)都相同。在 PES中，采用 FAT方式較多。 2）光電子能譜的數(shù)據(jù)采集 在實(shí)際操作能譜儀時(shí)，針對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)要求選擇不同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。如采用 FRR還是 FAT掃描方式。若使用 FAT，則必須選擇通過能的大小。通過能大，靈敏度高，分辨率低。此外，還要考慮掃描區(qū)間，掃描間隔點(diǎn)，掃描時(shí)間，掃描次數(shù)等。 3）光電子能譜的數(shù)據(jù)處理 對(duì)采集的光電子能譜的數(shù)據(jù)必須進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，如數(shù)據(jù)平滑，扣除背景及譜分解。特別對(duì)于譜分解，必須根據(jù)所研究的問題去確定擬合參數(shù)，如峰的數(shù)目、峰寬等。 光電子能譜儀的指標(biāo) 影響譜儀靈敏度的主要因素有： 激發(fā)源強(qiáng)度，能量分析器入口狹縫的有效面積、立體接收角及電子傳輸率，所用電子探測器的靈敏度 。 譜儀分辨率往往用譜峰的半高寬 (FWHM)） ?E表示，稱為絕對(duì) 分辨率。而把 ?E/E稱為相對(duì) 分辨率。對(duì) ?E的貢獻(xiàn)有激發(fā)源線寬 ?EX，受激發(fā)原子的線寬?EN，以及能量分析器的線寬 ?EA。假定它們都具有高斯分布，則 要提高譜儀的分辨率必須同時(shí)提高激發(fā)源和能量分析器的分辨率 。 222ANX EEEE ???????同步輻射光電子能譜技術(shù) 一、同步輻射與光電子能譜 同步輻射的優(yōu)越性 波長覆蓋范圍寬 紅外 可見 紫外 真空紫外 軟 X射線 硬 X射線 高強(qiáng)度和高準(zhǔn)直性 偏振特性 ：儲(chǔ)存環(huán)平面方向是線偏振光，在垂直方向上偏離電子軌道平面為圓偏振光 脈沖時(shí)間結(jié)構(gòu) ：可進(jìn)行時(shí)間分辨光電子能譜實(shí)驗(yàn) 同步輻射運(yùn)用于光電子能譜的優(yōu)勢 ? 同步輻射光子能量覆蓋范圍廣 ， 使 激發(fā)光源光子能量范圍擴(kuò)大 。 ? 同步輻射光源連續(xù)可調(diào) （ 10eV1000eV)， 從而 可進(jìn)行光子能量掃描 ， 并能產(chǎn)生 新的光電子能譜的掃描工作模式 （ 如 CIS、 CFS等 ） 。 ? 通過調(diào)節(jié)同步輻射光源光子能量 ， 可增強(qiáng)或抑制某種原子的芯能級(jí)發(fā)射 ， 并可調(diào)節(jié)出射電子的動(dòng)能 ，從而改變電子的逃逸深度 ， 進(jìn)而 提高探測的表面靈敏度 ? 利用同步輻射的偏振特性 ， 激發(fā)具有不同對(duì)稱性或不同自旋狀態(tài)的電子 二、同步輻射價(jià)帶光電子譜 角分辨光電子能譜 1）角分辨光電子能譜概述 ? 角分辨光電子能譜是研究價(jià)帶電子結(jié)構(gòu)的重要手段。它能給出價(jià)帶有關(guān)占有態(tài)（包括表面態(tài)）的不同信息，如 態(tài)密度分布、能帶在波矢空間的色散及波函數(shù)的對(duì)稱性等 。 ? 在 DOS的研究中，普通光電子能譜是角積分的，它測量的是總的 EDC。但 角分辨光電子能譜可得到不同發(fā)射角