【摘要】 本文介绍了一种新型光子源的应用，它可以在10.2eV的电压下发射单色光子，不需要高能发射线，也不需要单色光镜。

紫外光电子能谱是一种广泛应用的技术，用于探测半导体材料中价电子态的能量、金属和半导体的功函数以及界面间的能级排列。

 

通过直接检测固体中的这些电子态，这种技术能够更好地理解基本材料和界面特性，并且极大地帮助了半导体材料和器件的发展。尽管UPS在无机材料的研究中已经得到了更广泛的应用，但它显然也是研究有机材料的一个强有力的分析工具。

 

然而，对这些有机材料的UPS研究可能受到暴露于UPS光子源引起的显著样品损伤的限制。UPS的研究有时需要很长时间的照明，特别是在建立界面并逐步探测界面能量的情况下，这使得这些测量变得困难或不可能在更容易受损的材料中进行，比如许多有机物。

 

减少这种样品损害的一种方法是使用替代光子源，特别是使用能量较低的光子和光子通量较低的光子源。本文介绍的10.2eVHLyman-α光源满足了这些要求，并显示可以显著减少样品损伤。

 

本文介绍了一种新型光子源的应用，它可以在10.2eV的电压下发射单色光子，不需要高能发射线，也不需要单色光镜。

 

该光源在10.2eV(121.6nm)下产生HLyman-α(1s2S→2p2P)发射，光源强度可在较大范围内调节，以减少样品损伤和充电。

 

它可以在连续波模式下产生高达2×1018个光子/秒的光子，可以通过一个Mgf2窗口与特高压系统分离，以消除差动泵浦的要求，体积小，便于安装到现有系统，寿命长，操作相对容易(即不需要精确调节压力，也不需要差动泵浦)。

 

结果和讨论

该系统由HLyman-α光子源和90°椭球面反射镜组成，光子通过MgF2视口进入特高压系统，如图1所示。

 

运行的基本原理是使用低能量的电子束激发氖-氢气混合物，从而产生被激发的氖物种(Ne2*准分子，Ne×，Ne+×等)。这些物种的能量转移反应驱动氢分子的解离和激励，如下面的反应示例所示。

 

图1 用90°椭球面反射镜耦合特高压腔的HLyman-α光子源原理图。在两个mgf2窗口之间的空间可以填充任何想要的气体或泵送到高真空。

 

图2 莱曼α灯的发射光谱(a)和排放系数与灯电流的关系图(b)。

 

Ne2*准分子的衰变例如释放14.8±0.8eV，而基态h2分子的解离和对Lyman-α系的激励分别需要4.48eV和10.2eV。

 

这意味着上述反应是一个能量共振过程，选择性地靶向HLyman-α跃迁。使用这种激励的方法，在气体电池混合物中只包含少量的氢混合物，已经证明有10%的电子束功率转换效率到莱曼-α光子，这是远远大于报道的氘灯。

 

这种光子源的一个主要优点是没有其他高强度的发射，特别是在能量高于121.56nm的Lyman-α谱线上没有发射谱线。图2(A)显示了E-LUXTM121在两种不同的吸气剂电流作用下从110到170nm的发射光谱。

 

这里，吸气剂电流决定吸气剂材料的温度，因此一方面，吸气剂的清洁效率。在较低的吸气剂电流下，气体电池中有更多的杂质(大致在百万分之一到十亿分之一的水平)，比如氧(来自于从壁上解吸的残余水分子)和碳。

 

另一方面，吸气剂温度决定了氢浓度。最初，在较低的吸气剂温度下，通过调节吸气剂电流来获得最佳的氢浓度，从而留出余地来补偿随着时间推移可能出现的氢扩散/耗尽。

 

因此，如图2(A)所示，该灯可以在较高的吸气电流下工作，以减少杂质发射量，或降低吸气电流以增加总的H莱曼-α线强度。

 

主要发射来自121.6nm(10.2eV)的HLyman-α跃迁，FWHM仅为3p.m。在对数尺度顶峰底部的机翼上可以看到初级发射的明显变宽，然而，这是分光计的伪影，很可能源于散射在光栅上的光。

 

121.6nm发射线底部的翅膀是光谱仪的伪影，这一结论可以通过在含氧环境中操作光源时周围区域缺乏任何氧吸收结构来证明(见补充信息图1)。中一)。

 

在典型的氢激励系统中，真空紫外区域主要由氢分子的莱曼波段发射构成，但在图2(A)的发射光谱中可以看到，这个波段只是在160nm区域表现为一组较低强度的线。

 

重要的是，即使在较低的吸气电流下，也没有观察到较高的能量发射线，并且在波长小于110nm的情况下，任何发射都将被MgF2窗口完全吸收。

 

ExcitechLyman-α辐射源用于UPS易损材料研究的一个重要特点是能够轻松调节辐射源的排放系数。

 

这是研究最敏感材料的一个关键特征，本文将进一步研究这一特征。图2(B)显示了驱动电流对电源排放系数的影响。在较低的强度下(红色显示)，使用Elux光源中可控的内部电磁场使电子束偏转，使得发射区域不再位于光源光学的焦点。

 

通过控制发射电流和发射区域的位置，发射强度跨越5个数量级。驱动电流可以很容易地调整使用外部控制的电源和操作软件。因此，这种源具有高动态范围的操作，可以很容易地控制，以平衡信号强度和样品损伤。

 

图1显示了从真空紫外光源发射的光子通过光学模块进入特高压系统的路径。波束路径的很大一部分位于源的MgF2窗口和特高压系统之间。

 

这个空间可以用气体净化或在真空下泵浦，从而控制光束路径环境。由于油蒸气会在真空紫外线区域强烈吸收，所以使用干隔膜泵进行连续氮气吹扫，以保持低压(something8托尔)。

 

在设置过程中，确定在3-10托尔室内氮气导致低于预期的信号，并安装了一个短的干燥剂柱，以进一步干燥氮气。然而，即使使用干燥的氮气(-73°c露点)，当吹扫压力增加到10托尔以上时，排放系数也会明显减少。

 

为了研究这种降低的原因，在超高纯氮气和高真空条件下对银和C60进行了UPS光谱分析。

 

此外，由于氧气具有与HLyman-α发射区重叠的窄透射窗(在吸光度和压力下，氧气标准温度系数在121.6nm处为0.28cm-1)，我们测试了低压氧气的存在作为过滤器，以进一步降低低能发射线的强度。

 

1.Alex M. Boehm, Jochen Wieser, Kamal Butrouna, Kenneth R. Graham, A new photon source for ultraviolet photoelectron spectroscopy of organic and other damage-prone materials, Organic Electronics, Volume 41, 2017, Pages 9-16, ISSN 1566-1199, https://doi.org/10.1016/j.orgel.2016.11.032.

 

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