UPS (UV photoelectron spectroscopy)

UV photoelectron spectroscopy (UPS)는 물질의 전자 상태와 에너지 레벨을 조사하기 위한 분석 기법이다.

 

 

1. 원리:
   • UPS는 자외선(UV) 광원을 사용하여 샘플을 조사한다.
   • 이 UV 빛에 의해 샘플의 표면에서 전자가 방출된다. 이 방출된 전자들은 "포토전자(photoelectrons)"라고 불린다.
   • 포토전자의 에너지는 원래의 원자나 분자 상태의 에너지와 UV 빛의 에너지에 따라 결정된다.
2. 응용:
   • UPS는 주로 샘플의 valence band와 관련된 전자 상태를 조사하는 데 사용된다.
   • 이를 통해 물질의 화학적 상태, 전자 구조, 원자의 결합 상태 등의 정보를 얻을 수 있다.
3. 장비:
   • UPS 장비는 UV 광원, 샘플 홀더, 전자 에너지 분석기 등으로 구성된다.
   • 전자 에너지 분석기는 방출된 포토전자의 에너지를 측정하는 데 사용된다.
4. 비교:
   • UPS는 X-ray photoelectron spectroscopy (XPS)와 유사한 원리를 가지고 있지만, XPS는 X-ray를 광원으로 사용하며, 더 깊은 샘플 계층의 정보를 제공한다. 반면, UPS는 주로 표면 근처의 정보에 초점을 맞춘다.
   • X선: 가장 짧은 파장을 가지며, 에너지가 매우 높다.
   • 극자외선 (EUV) 및 자외선 (UV): X선보다 파장이 길며, 에너지는 낮다.
   • 가시광선: 자외선보다 파장이 길며, 우리 눈에 보이는 빛의 범위이다.

 

UPS는 표면과 인터페이스 과학, 물질의 전자 구조 연구, 새로운 물질의 특성 평가 등 다양한 분야에서 중요한 분석 도구로 사용됩니다.

• UPS spectra로 band offset 구하기
  1. 페르미 레벨 (EF) 결정: UPS 스펙트럼에서 페르미 에지를 찾아 페르미 레벨의 에너지를 결정한다. 페르미 에지는 전자가 없는 상태와 전자가 있는 상태 사이의 경계를 나타낸다.
  2. Valence band 최대 에너지 (VBM 또는 EV) 결정: UPS 스펙트럼에서 valence band의 최대 에너지를 나타내는 피크를 찾는다. 이 피크는 valence band에서 가장 에너지가 높은 상태를 나타낸다.
  3. 밴드 오프셋 계산: 페르미 레벨 (EF)과 valence band 최대 에너지 (VBM 또는 EV) 사이의 에너지 차이를 계산하여 밴드 오프셋을 얻다. Band offset : Ef-Ev

 

 

 

• work function은 fermi level에서 vacuum level까지의 차이다.
• E cut-off는 UPS (Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy)에서 자주 사용되는 용어로, 이 지점에서 전자의 신호는 갑자기 "0"이 된다. 다시 말해, "E cut-off"는 진공 준위와 같은 에너지에서 전자가 여기 시킬 수 있는 최대 에너지를 나타낸다. UPS에서는 이 값을 통해 표본의 워크펑션을 계산하는 데 사용된다. 
• Ef는 Valance Band Max에서 Fermi level까지의 차이다.
• hv는 광자에너지를 나타낸다.

※ E cut-off의 의미는 적용되는 특정 상황에 따라 다를 수 있다.

 

 

 

 

UPS (Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy)에서, 광자에너지 hν의 광자가 물질에 충돌할 때, 그 광자에너지는 물질 내의 전자를 방출시키는 데 사용된다.

이때 전자가 방출될 때 가지는 에너지는 광자의 에너지 hν에서 그 전자의 바인딩 에너지를 뺀 값과 같다.

 

방출된 전자의 에너지 = hν - 바인딩 에너지

 

이 식은 UPS에서 전자가 방출될 때의 에너지를 설명하는 기본 원리다.

 

 

 

 

 

UPS분석 _ HAL은 Hall absorption layer이다.

UPS에서는 Fermi level = 0eV로 기준을 잡고 Ef와의 차이를 비교하여 기록한다.

• 17.5eV 일 때 Ecut-off이다.
• Fermi level주변에서 binding energy가 가장 높은 부분 (Fermi level과의 차이가 가장 적으며, intensity가 지수적으로 증가하는 부분)이 valence band Maximum 일 것이다.
• fermi level과의 차이가 별로 없는데 intensity가 증가하지 않는 부분은 bandgap 영역이다
• 그래프를 보면 알 수 있듯, Ecut-off 이상일 때 intensity가 최대이다. 이는 가장 많은 전자를 방출하는 것을 의미한다. 하지만 그 energy는 가장 낮다. (E=hv-binding Energy이기 때문)