案例引入
如下图1是2016年的一篇Science文章UPS图[1],核心思路很简单:打开OPV的材料库,从里面找一种能级更匹配、界面接触更好、稳定性更好的空穴传输层材料,用于钙钛矿体电池。所以一个学科的发展,可能是其它学科的肩膀。UPS原理就是爱因斯坦那极具想像力与说服力的光电效应方程(Ek=hν-W),但当时却遭遇到学术界强烈的抗拒,说明每一代科学家中都有固执的人。本文介绍这篇Science文章UPS的数据处理方法,并强调制样的注意事项。
图1 Science文章截取的能级图
数据处理
使用的仪器来自赛默飞公司的ESCALAB 250Xi,世界500强产品,更新换代快,配套的软件Avantage的功能集成度很高。现在UPS仪器价格也就一线城市的三环一套房,普通高校也买的起。但是,审稿人十几年前上学的时候,可没有那么多资源测试UPS,更不了解怎么处理数据了,审稿人一般不懂就不敢问你细节。所以UPS数据质量还得自己把关,免得坑读者。
数据处理分为三步: 能量校准、 Origin画图、 能级标注。
能量校准
用的是赛默飞公司的Avantage软件,校准操作可以一键完成,如下面动图所示。这里10 eV是因为对样品加了10 eV的偏压,目的是给激发出来的表面电子助推下,有利于被探测器收集到,如果不加偏压,信号会比较弱。
能量校准-进阶版:UPS测试需带一个金标样,主要是为了校准费米能级位置。金的费米能级位置如果偏离很大(个人觉得超过0.05 eV),此时已经不是分辨率的事了,你就需要如下动图的方式进行校准:测量金的偏移值+校准。
如果仪器维护稳定,金的精细谱的一阶导数位置基本不变。另外,一般是把金标样的功函数-5.1 eV作为标定值,平时测得金功函数即使有偏差,问题也不大,属于正常现象,因为金的功函数和表面的污染有很大关系,需要刻蚀清理表面污染后测UPS。
Origin画图
画图也比较简单,先复制Avantage里的数据到Origin里面,并进行归一化操作,然后绘图即可。数据复制+归一化如下动图:
绘图:先画好一副图,主要是修改背景、边框、范围。关于Origin图片的尺寸设计可以之前的一篇文章(Origin高效排版神技能,一步快步步快,省出三天时间选刊)。
快速绘制另一幅图的办法:拷贝第一幅图的所有格式,黏贴在这一幅图里,略微调整即可。
最后用Merge拼接两幅图。
能级标注
UPS测试半导体材料得到的两个能级位置,一个是功函数的值,另一个是价带位置。
首先,需要用Avantage软件一键计算得到功函数位置,这是软件内部集成了一套自动找二次电子截止边算法,超级节省时间。
在Origin中找到价带距离功函数的位置,这里需要手动微调,个人主观性比较大,但必须考虑材料的带隙,不能超过带隙的大小,也需要考虑材料的属性,是p型或者是n型半导体,如果这些弄错就是严重的错误了。
下面图2就是最后得到的效果图,假设该材料的带隙为1.55 eV(这可以通过吸收图获得),那么其能级位置如图2B所示:功函数为-4.78 eV,价带位置距离功函数为0.87 eV,也就是-5.65 eV,价带值加上光学带隙1.55 eV,就是导带位置-4.00 eV。
图2 UPS数据图及能级位置
至此,一副完整的UPS数据图制作完成,和Science的图1对比,只是他们对比了不同材料,画的比较多,读者可以自行多画几个。
制样细节
1. 从制样到测试腔,避免接触大气。在10-6真空条件下,1s时间内,在样品表面会吸附一个单原子层,那么暴露大气环境1s已经不知道吸附多少层杂质了,这会直接导致UPS数据失真,因为UPS测试的深度只有几个纳米。你会发现暴露空气后的每次测试结果都不一样,这导致实验结果具有随机性,当然审稿人也很可能不会想到这点。
2. UPS适合测半导体或者导体,并且要和样品台导通。粉末样品是不能测的,导电性太差。如果想通过中和枪实现电荷补偿也不行,因为这样测试得到的不是价层电子信息。
3. 不同对比样品最好一起测试。因为UPS测试非常敏感,但就科学性而言,对比的样品最好一次测完,避免莫名其妙的影响因素导致样品之间的趋势被破坏。
4. 测试前和测试老师充分沟通,如果有条件,自己测试更佳。
参考文献
1. Hou, Yi, et al. "A generic interface to reduce the efficiency-stability-cost gap of perovskite solar cells." Science 358.6367 (2017): 1192-1197.
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