XPS와 UPS의 차이는 뭘까? *XPS, UPS 원리

 

 

 

 

 XPS와 UPS의 원리와 차이점은?

✅두 장비의 큰 흐름은 둘 다 물질의 전자 구조를 분석할 수 있다는 점에서 같다. 단, XPS는 X선을 사용하고, UPS는 극자외선을 사용한다.

 

 XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy) : X선 광전자 분광법

✔️분석하고자 하는 물질의 표면에 X선을 쏜다. X선의 에너지는 보통 수백 eV에서 1,500 eV까지 높은 에너지를 가졌기 때문에 물질 내부에 결합된 전자(내각 전자)를 분리시켜 밖으로 튀어나오게 한다.

✔️빛에너지로 튀어나온 전자라서 이를 '광전자'라고 한다. 그리고 광전자의 운동에너지를 분석해 물질의 성분이나 전자 구조 등을 알 수가 있다.

 UPS(ultraviolet photoelectron spectroscopy) : 자외선 광전자 분광법

✔️XPS와 마찬가지로 물질의 표면을 쏜다. 단, 이때 X선이 아니라 극자외선 파장을 쏜다. X선과 달리 극자외선은 수십 eV 에너지라 X선과 대비해 상대적으로 에너지가 낮다.

✔️그래서 XPS와 달리 UPS는 내각 전자가 아닌 외각에 있는 전자를 분리시키고 이때 발생하는 운동 에너지를 분석해 물질의 전자 구조를 파악할 수 있다.

✔️즉, XPS는 내각 전자를 분리시키므로 Core 레벨에 있는 전자를 분리시킨다. 반면, UPS는 외각 전자를 분리시킨다. 따라서 UPS에서 튀어나오는 전자는 Valence(가전자) 레벨에서의 전자이다.

(c)말라가 대학

 

 Core 레벨, Valence 레벨, Conduction 레벨의 차이는?

✅Core 레벨
 : 물질 원자 내부에 있는 전자들로 내부 전자 궤도에 위치하며 물질의 화학적 성질에 직접적으로 기여하는 전자들이다. XPS가 어떤 물질이 있는지 분석할 수 있는 이유가 Core 레벨에 결합된 전자를 분석하기 때문이다.

✅Valence 레벨
 : 외부 전자 궤도에 위치한 전자들이다. 이 영역에 있는 전자들의 정보를 얻을 수 있는 것이 UPS다. 여기에 있는 전자들은 전하의 전도 및 외부 물질과 상호작용에 참여하여 소자의 특성을 결정하게 된다.

✅Conduction 레벨
 : 고체 상태 물질의 전도성을 결정하며, 외부 전자들이 이동할 수 있는 레벨을 의미한다.

*그리고 Valence 레벨과 Conduction 레벨의 차이가 에너지 밴드갭이다.

 따라서 UPS로는 HOMO를 구하는 게 가능하다.

✔️'HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital)'는 전자가 꽉 차있는 영역에서 가장 높은 레벨을 나타내고, 'LUMO(lowest unoccupied molecular orbital)'는 전자가 없는 영역에서의 낮은 레벨을 의미한다.

*LUMO-HOMO를 빼면 에너지 밴드갭이다.

✔️UPS는 Valence 레벨에서의 전자를 튀어나오게 하기 때문에 UPS를 측정했을 때 처음 스펙트럼이 발현되는 구간이 'HOMO' 단계임을 알 수가 있다.

✔️단, LUMO를 직접적으로 측정하기는 어려워 보통 전자의 움직임으로 발생하는 에너지 변화를 분석 및 계산하여 유추한다. 혹은 그외 측정한 물질의 에너지 밴드갭을 대략적으로 알고 있거나, IPES를 통해 측정해야 한다.

왼쪽 : UPS 측정 결과 (c) J Mater Sci: Mater Electron (2016) 27:5039–5046 / 오른쪽 : XPS 측정 결과 (c)Royal Swedish Academy of Sciences Phys. Scr. T170 (2017) 014019 (5pp)