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轫致辐射等色光谱分析 Bremsstrahlung Isochromate Spectroscopy (BIS) 写作者：※顺 ※会亚 指导者：※※老师 摘要：轫致辐射的等色光谱分析(BIS)是测量样本费米能级以上非占据态态密度的重要技术， 本篇文章主要介绍了BIS 的基本原理、实验装置，并介绍了BIS 在系统表面态能量的确定、 体能带结构的阐明、表面吸附分子相互作用的应用，同时介绍 XPS/BIS 相结合应用于过渡 金属以及锕系金属的光谱测量。 关键词：BIS ；非占据态；XPS ；能带结构 一、引言 Bremsstrahlung ，它来源于德语，“brems”是“brake”刹车的意思，“strahlung” 是“radiation”辐射的意思[1]。根据经典电动力学，带电粒子作加速或减速运动时 必然伴随电磁辐射，这种辐射就叫做轫致辐射，也叫刹车辐射。 当高速电子束入射在特定材料上面时，可以探测到光子的出射，这个过程就 称为逆光电效应，这个分析技术叫逆光电效应光谱分析，英文叫 Inverse PhotoElectron Spectroscopy (IPES) 。简 单的就是电子进，光子出的过程，如图 1。由于逆光电效应有多种形式，因此 光 子 电 子 对于 IPES ，要对出射的不同能量的光 子都要进行分析，而轫致辐射只是其中 的一种，相应BIS 只对其中特定能量的 图1. 逆光电效应示意图 光子进行分析。 早在1915 年，Duane 和Hunt 第一次在金属钨上进行了轫致辐射研究[2]发现 了辐射谱的短波长极限，称Duane-Hunt 极限（光子的最大能量不超过入射电子 的能量，此光子的波长最小），并记录了较窄带的X 射线轫致辐射强度与阳极电 压关系，他们分析得出辐射强度在高于阈值电压后呈近似线性增长。1942 年， Ohlin 用更高的分辨率重复了 Duane 和 Hunt 的实验[3]，在W ，Cu，Ag ，以及 MoS2 的Duane-Hunt 极限处，发现了宽的能级结构，他认为这些结构代表了这些 阳极材料的特征。1946 年，Nijboer 用费米能级以上的空态（unfilled ）能级密度 解释了Ohlin 的测量结果。让后的几年里没有取得太显著的进展，到了1958 年， Ulmer 等人指出了同色光谱同样也解释了样品中电子能量有特征的损耗。到了 1972 年，又了新的发展，Turtle 等，尝试把实验得到的光谱与空态能态密度理论 计算结果进行精确比对。令仍惊讶的是直到 1979 年，研究人员才首次用这种思 想直接的测量了费米能级以上空态的能态密度分布[3]，实验由 Lang 等人开展， 并获得了0.43eV 的分辨率。 二、原理 在BIS 中，一束电子入射到固体样品上，电子与物质的相互作用是剧烈的， 激发束缚电子，或者等离子激元起了主要作用，而其中很少一部分电子被直接减 速，发生轫致辐射，辐射出光子。这些被减速的电子占据了样品费米能级 以 E F 上的空态[3]，如图 2 ，只对样品有轻微的扰动。而且有一观点是被大家接受的， 当电子的能量较高时（1KeV ），电子的跃迁几率是随能量缓慢变化的，与初始 能态关系不大。依据这一观点，电子轫致辐射的概率可以近似等于非占据态的能 态密度 D(E) 。当使用热电子发射阴极是，根据能量守恒定律，可得知轫致辐射 的能量关系： Eu Vacc  cath  kT  0 (1) 其中，如图2 所示， 表示非占据态的能量， 表示发射电子束的潜在加速势， E V