功函数和费米能级的关系以及UPS测定原理

简述

在目前光催化研究的热点中，我们时常可以看到复合材料界面存在内建电场，由于内建电场的存在有助于光生载流子的分离，进而成为一种有效的提高光催化分解水的策略。

而内建电场的存在是基于费米能级的不同而导致的结果，其费米能级又与功函数具有紧密的联系，这里我们介绍功函数、费米能级以及真空能级的关系，并基于UPS测定功函数的测定简述。

功函数与费米能级的关系

从定义上理解费米能级指：费米能级是指T=0K时，电子占据的最高能级为费米能级；而功函数指：把一个电子从固体内部刚刚移到此物体表面所需的最少的能量；真空能级：电子达到该能级时完全自由而不受核的作用。

那么很容易得出：功函数（Φ）的值等于真空能级（Ev）与费米能级（E_F）之差，即：Φ=Ev-E_F。

注释：Ev：0 eV，而真空能级与标准氢电极电势的差值为4.5 eV。

基于UPS测定功函数

测试条件：

真空度为3*10^-8 Pa，使用的光源是HeⅠ（21.22 eV）,样品一般要加偏压：-5或-10，对于无机半导体材料需要Ar⁺离子刻蚀。

注意事项：

测试样品与样品托要接触良好，特别是所测样品的表面与样品托之间不能存在电阻。

原理即功函数的计算：

计算公式：Φ=hv+E_cutoff-E_F。

E_F：费米边的微分；

E_cutoff：有俩种方法：

（1）取截止边的中点；

（2）由截止边拟合的直线与基线的交点。

例：

题目：CoO/WO₃ p-n 异质结促进电荷分离，用于高效可见光驱动的气态甲苯降解。

从图可以看出，作者给出了E_F和E_cutoff的值，带入公式，就可以得出功函数的值。

根据我们上面提高，功函数、真空能及和费米能级的关系，很容易得到，相对于标准氢电极的费米能级，WO₃为0.89 eV，CoO：0.47 eV。

图1 WO₃和CoO的（a，b）UPS和（c，d）VB-XPS谱图。

参考文献

• Chemical Engineering Journal 400 (2020) 125919。

• 百度文库。

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