MoS2中元素化学态、价带结构检测方案(X光电子能谱)

X射线光电子能谱仪KRATOS AXIS SupraTM ApplicationNo.K80News岛津SHIMADZU用户服务热线电话： 800-810-0439第一版发行行：2021年1月400-650-0439 二维材料具有的简单二维结构、特有对称性等特点，使其具有独特的性能，近年来，人们对 MoS，等二维材料的研究产生了较大兴趣。二维材料可应用于晶体管、传感器、电极、绝缘体等。 在本报告中，使用×射线以及紫外光激发获得了二硫化钼(MoS，)价电子带的光电子能谱。利用 Ar团簇离子进行谱图测定，验证了清洁前后样品谱图的差异。进行MoS，薄膜的表面分析，获取了表面性质和键合状态相关的有益信息。 |分析方法和使用装置 XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) 是一种表面分析方法，用于测定使用软×射线照射固体表面时发出的光电子的能量，可以进行物质表面元素的定性、定量分析以及化学键合状态分析。XPS的分析深度非常常，探测深度约10 nm， 可以获得物质最外表面化学状态的相关信息。UPS(Ultraviolet PhotoelectronSpectroscopy) 是一种用于测定样品在受到紫外光照射时发出的光电子能量的分析方法。由于辐射源的能量低于 XPS， 因此与 XPS相比，可以获得更多表面的信息。此外， UPS由于具有高能量分辨率，因此也用于材料功函数的测定。两者的特征如表1所示。 在本报告中，使用了结合 XPS和 UPS分析方法的成像×射线光电子能谱仪 (KRATOS AXIS SupraQ)。装置整体图像如图1所示。 AXIS Supra 是一种表面分析装置，具有世界最高水平的大分析束斑灵敏度，以在导体中<0.48 eV (Ag 3d 5/2)、在绝缘体中<0.68 eV (C 1s COO-)的高能量分辨率著称。由于具有出色的能量分辨率， AXIS Supra 可有效分析样品表面附近的键合状态。 表1XPS 和 UPS的特征 名称 激发源 深度分辨率 得到的信息 UPS 紫外光 ~3nm 材料的功函数等 XPS X射线 ~10nm 元素组成、化学状态 图 1 KRATOS AXIS SupraTM装置整体图像 实验与结果分析 为了防止分析前样品表面吸附污染，在剥离后立即将 MoS，转移到了装置的样品预抽室。但是，根据所获得的 survey 谱图发现，样品表面约有17.2%的C 来自于大气中污染物(碳化氢)的吸附。假设样品表面被污染物均匀覆盖，则相当于约1.5 nm 的吸附层。 图2所示为通过XPS (AIKa， 1486.6eV)利和 UPS (Hell，40.2eV)分析的表面价带谱。这些谱图反映了价电子带的状态密度。结果证实了XPS 和 UPS 测试结果有很大的差异。可以根据以下两个原因来说明这个差异。 0 图2 MoS，的价带谱一(a)XPS、(b)UPS 首先是由于光电离截面的不同。MoSz各电子轨道的光电离截面都不同，此外采用激发源的能量不同。在本例中， XPS(1486.6eV)和 UPS (40.2eV)之间的光电子激发能不同。MoS，的各轨道光电离截面会根据激发能的不同而发生变化，因此可以解释为何 XPS 和 UPS之间的谱图形状存在差异。 其次是由于被激发的光电子的动能不同，因此分析深度存在很大差异。在 Hell 的情况下， UV激发的光电子的动能明显低于XPS的动能，因此表面灵敏度更高。由此，与 XPS 相比， UPS对表面更加敏感，因此可认为表面吸附污染会导致谱图产生差异。 为了进一步调查吸附污染物的影响，用 5kV Ar2000+团簇蚀刻，清除了表面污染物。图3所示为其结果。根据所获得的深度分析曲线图，可以确认蚀刻后样品表面C的存在比例为1%或更低。此外，未观察到 Mo 3d 的峰形变化。这暗示了在使用Ar 团簇进行清洁的过程中，未导致择优溅射或形成硫空位等。 -C—Mo— —·S 图3 基于5kV Ar2000+ 的深度分析 图4所示为用 5 kV Ar2000+团簇蚀刻后的 XPS 和 UPS 的谱图。结果证实，在刻蚀20秒后，观察到 UPS 谱图发生了巨大变化，确认了峰数以及各峰的位置与 XPS 谱图相同。关于5个峰，最低结合能侧的峰源自Mo 4d，除此以外的3~7eV的4个峰源自S3p)。此外，即使继续进行刻蚀，也未观察到谱峰形状的变化。该结果说明了在不损伤样品表面的条件下进行刻蚀并清除表面污染物，可以利用以上任何一种分析方法来评估价电子带的谱峰。 图4利用 5kV Ar2000+蚀刻后得到的 He ll(a)UPS 和 (b)XPS 光谱 (蓝色：0秒、红色：20秒、绿色：100秒、黄色：300秒) 总结 为了研究利用 XPS 和 UPS 测定的价带谱的差异，对剥离得到的 MoS，表面进行了分析。发现由于 UPS 比 XPS对表面更敏感，因此其光谱中会更多地反映出表面吸附污染和结构破坏带来的影响。 致谢 对南洋理工大学的 Teddy Salim 博士和 He Yongmin He 博士关于该课题给予的支持及提出的宝贵意见表示由衷的感谢。 ( 参考文献 ) ( 1. P. J . Cumpson， https：//do i .org/10.1002/1096-9918(200006) 29：6<403：：AID-SIA884>3.0.CO；2-8 ) ( 2. S . V. DIDZIULIS and J . R. LINCE et al. Photoelectron Spectroscopy OfMoS 2 at the S ulfur 2p Absorption Edge ) ( 岛津企业管理(中国)有限公司岛津(香港)有限公司 ) ( http：//www.shimadzu.com.cn ) ( *本资料未经许可不得擅自修改、转载、销售； ) ( *本资料中的所有信息仅供参考，不予任何保证。如有变动，恕不另行通知。 ) 二维材料具有的简单二维结构、特有对称性等特点，使其具有独特的性能，近年来，人们对MoS2等二维材料的研究产生了较大兴趣。二维材料可应用于晶体管、传感器、电极、绝缘体等。在本报告中，使用X射线以及紫外光激发获得了二硫化钼（MoS2）价电子带的光电子能谱。利用Ar团簇离子进行谱图测定，验证了清洁前后样品谱图的差异。进行MoS2薄膜的表面分析，获取了表面性质和键合状态相关的有益信息。