XPS探测的是芯能级的电子信息，反映的是对应元素的本征线性，由此来对材料的元素组成，元素价态情况等进行分析。

UPS的工作原理和XPS一样，但是能量远远小于X光，因此有比较好的能量分辨率来研究价带的电子结构，是XPS手段的一个重要补充。

不同的气体放电的能量

一般的UPS光源通过对惰性气体放电来实现，He、Ne、Ar、Kr、Xe等，能量一般在几十个eV左右。

通过气体放电产生的UV光一般含有好几个线型。这些本征线型的光子能量和相对强度也很不相同。其中主要的能量是HeI和HeII，见下表格。而其中的He-I 线型 (21.22 eV) 是强度最强的，因此其他的线型光子能量组成我们一般可以忽略。

He的能量

一般需要对样品进行加负偏压处理，可以帮助我们分析材料的功函数；同时加偏压，可以增强电子计数率，特别是二次电子部分。

功函数(work function)又称逸出功，定义为：把一个电子从固体内部移到无穷远处(真空能级)所需的最少的能量。功函数并不是材料的体性质，体现的是材料的表面性质。

UPS分析中一般指费米能级与真空能级的差。

导体，有费米能级的概念；电子在绝对零度时占据的最高能级。半导体，有LUMO和HOMO；那么同时有亲和能（EA）、离化能（IE）的概念。

从下图的谱中我们可以看到Au的UPS在8eV以后开始剧烈上升，表明有比较强的二次电子。高分辨率的费米边谱和二次电子阶段谱可以进一步帮助我们得到材料的功函数：

Φ = hνn– (ECutoff – EFermi )

Au标准样品

影响UPS测试结果的主要因素：样品表面的污染情况。

由于UPS测试深度只有2-3nm，如果样品污染比较严重有可能测试的是样品表面污染碳的信号。对于UPS的样品不建议做刻蚀，这样可能会破坏样品表面的结构信息

采用如下示例来说明，样品原始测试后以及样品做样品刻蚀后样品情况。

清洁前后Au的价带谱结构

普通样品测试

普通样品测试

刻蚀样品测试

刻蚀样品测试

                                         深度剖析测试

深度剖析样品测试是在普通的测试基础上加上刻蚀。先用氩离子或者团簇进行刻蚀后，再进行测试。

通过不同的刻蚀时间来看不同深度样品的浓度的含量。

温馨提示：粉末样品不建议做刻蚀。Ar离子具有还原效果，对于金属氧化物具有还原效果，可以通过将刻蚀的能量降低来减弱还原效果，但是无法避免。

                                角分辨XPS（ARXPS)测试

测试原理：由于电子的逃逸深度是有限的，以不同的角度来入射样品，所激发出来的电子来自样品中的不同位置（或者说不同角度发射出来的电子来自不同位置），而通过检测这些信息可以反映薄膜材料不同厚度处样品的化学结构信息。

ARXPS通过检测样品不同出射角度的电子信息

光电峰强度时深度的函数

65% 的信号来自于<λ；85% 来自<2λ；95% 来自 <3l (典型 < 9nm)沿样品法线方向出射。

衬底上的薄膜图谱信号随着收集角度变化

通过角分辨XPS我们可以得到什么信息呢？

ARXPS 提供3种无损深度分布信息：

1. 相对深度刻画(RDPs)，使用对数比率

2. 单层和多层薄膜厚度测量，使用Beer-Lambert方程推导计算, I = I exp(-d/lcosq)

3. 最大熵法计算深度剖析信息

（1） 相对深度刻画

通过测试的数据可以计算相对深度刻画

（2）单层和多层薄膜厚度测量

双层模型 

这个近似对于一般的氧化物元素在其单质基底上是适用的 (如 SiO2/Si)，可以得到样品的薄膜厚度。（样品厚度小于10nm）

应用案例

数据来自 Thermo Scientific Escalab 250Xi

如上图所示，通过改变 θ 值可以定性地研究薄膜从 bulk 变化到 surface 的过程中 As3d 的变化情况，其中 44 eV 左右的峰为 AsOx 的峰，41 eV 左右的峰为 GaAs 的峰，随着角度从 0 到 80度 ,样品表面的信息越来越多，相应地，44 eV 处的 AsOx 的峰越来越强，而 41 eV 处的 GaAs 的峰越来越弱。以 Atom Concentration 对 Angle 作图可以看到明显的变化趋势，GaAs 的信号和 AsOx，GaOx 的信号呈现互补关系。表明，GaAs 薄膜的表面主要是 AsOx 等氧化物形式存在，而内相则以 GaAs 形式存在。

通过软件计算出样品的薄膜厚度。

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