Principle and Practical Tips of Work Function Measurement using UPS, XPS and AES Instruments

Abstract

The importance of work function measurement in the field of application has greatly increased. The principle of work function measurement using electron spectroscopic methods such as UPS, XPS and AES is explained. The practical tips for measurements and analysis are advised with reasons. KEYWORDS : electron energy spectrum, secondary electron cutoff, Fermi edge, bias voltage, reference material 1．は じ め に 紫外光電⼦分光法（UPS）を⽤いた仕事関数の計測 は，基礎的な表⾯科学の分野では昔からおなじみであ る 1∼3) が，近年応⽤分野における仕事関数の重要性が増 し，材料開発などの分野で UPS，X 線光電⼦分光法 （XPS） ，オージェ電⼦分光法（AES）の装置を⽤いて仕 事関数計測を⾏う例が増えている。これらの電⼦分光装 置を⽤いた仕事関数計測では，⾮常に低速の電⼦を計測 するために，元素分析や状態分析を⾏うときとは異なる 注意が必要となる。筆者らのグループでは XPS，AES などの電⼦分光分析法を⽤いて表⾯組成と仕事関数制御 に関する研究を⾏っており，以前からこれらの電⼦分光 装置を⽤いて仕事関数計測を⾏ってきた。その経験から 得たノウハウを紹介する。 2．電⼦分光装置による仕事関数計測の原理 エネルギー hn の光で励起して放出される電⼦の運動 エネルギーを計測して試料の仕事関数 f を求める原理 は以下の通りである（Fig. 1 参照） 。最も⾼いエネルギ ーで放出される電⼦（EFermi）は，フェルミレベルの電 ⼦が仕事関数分のエネルギー障壁を超えて真空中に放出 されエネルギー分光器に達するもので，そのエネルギー は（hn−f）と な る。最 も エ ネ ル ギ ー の 低 い 電 ⼦ （Ecutoff）は，光で励起された後固体中で散乱されてエネ ルギーを失い，仕事関数分のエネルギー障壁をようやく 超えて真空中に放出されたもので，そのエネルギーは限 りなくゼロに近い。したがって以下の関係式が成り⽴ つ。 EFermi−Ecutoff＝hn−f （ 1 ） 通常のスペクトル取得ソフトは，スペクトルの横軸を 結合エネルギーで表⺬するが，実際に計測しているのは 電⼦の運動エネルギーで，そのエネルギーは左側に⾏く ほど⼩さい。したがって，スペクトルの左端が Ecutoff， 右端が EFermi となり，光⼦エネルギーが既知であれば試 料の仕事関数が求まる。 この計測にはエネルギー分光器にすべての電⼦が⼊る ことが必要であるが，エネルギー分析器の材料の仕事関 数が試料と違っているため試料から限りなくゼロエネル ギーで放出された電⼦が分析器に⼊るとは限らない 4) 。 そのため，実際の測定では試料に負バイアス電圧を印加 し，スペクトルを右側に平⾏移動させて試料表⾯から限 りなくゼロエネルギーで放出された電⼦を分析器に向け てバイアス電圧分加速して確実に分析器に⼊るようにす る。このようにしても， （ 1 ）式の関係は保たれる。 この⼿法では放出される電⼦のエネルギーを計測して いるので，仕事関数（フェルミレベルの位置）を知るた めには，フェルミレベルに状態密度が存在していること （フェルミレベルがバンドギャップ中にないこと）が必 要で，すなわち⾦属的物質に適⽤できることがわかる。 半導体や絶縁体で帯電しない程度に導電性がある場合に は，同様にして EFermi と Ecutoff を実験的に調べることが 可能な場合がある。しかし，EFermi の電⼦はフェルミレ ベルからではなくバレンスバンドトップから放出された 電⼦なので，計測される値は仕事関数ではなく，バレン