MoO3薄膜中电子的非弹性平均自由程

《Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena》：Electron inelastic mean free path in MoO3 thin films

电子非弹性平均自由程在复杂和功能材料中的测定是当前研究的重要课题。本文通过同步辐射BEAR光束线，采用CIS Si2p光电子能谱技术，在135-280 eV范围内系统测量了不同厚度无定形MoO3薄膜的IMFP，结合一阶弹性散射模型，揭示了氧空位缺陷对电子散射的影响，并与传统半经验模型对比，显著提升了MoO3体系IMFP数据的准确性，为表面敏感技术探深提供了新方法。

　　

乔治·丘迪诺夫（Georghii Tchoudinov）| 赛义德·贾瓦德·雷兹瓦尼（Seyed Javad Rezvani）| 斯特凡诺·纳纳罗内（Stefano Nannarone）| 安德烈亚·迪·奇科（Andrea Di Cicco）

意大利卡梅里诺大学（University of Camerino）科学与技术学院物理系，Via Madonna delle Carceri 9，62032，卡梅里诺，MC

摘要

确定复杂和功能性材料中电子的非弹性平均自由路径（IMFP）是一个引人入胜的问题，现有文献中可以找到相关的散射结果。了解IMFP对于确定基于外部探针激发的电子收集的几种重要技术的探测深度至关重要。特别是，对于包括MoO?在内的几种氧化物，目前还没有实验数据。MoO?是一种有前途的材料，可用于多种应用。为了测量IMFP，我们在Elettra的BEAR光束线上使用同步辐射，在135–280 eV的可变光子能量范围内，对覆盖有不同厚度非晶MoO?层的Si晶片进行了精确的恒定初始态（CIS）Si2p光电子发射实验。特别分析了SiO?光电子发射峰，仅选择了来自硅晶片本征氧化层的光电子。通过一阶弹性散射处理得出了电子的非弹性平均自由路径。这种处理方法是由于特定的实验条件所决定的，即使用了薄覆盖层和较小的分析器接受角。目前的IMFP结果与之前的半经验模型进行了比较，从而加深了我们对非晶MoO?中IMFP曲线的理解，并为功能性材料中探测深度的精确测量开辟了新的实验可能性。

引言

MoO?是一种有前途的材料，用于太阳能电池、电池和有机发光二极管（OLED）中，并且最近还被用作加速射频腔的涂层[1]，以及其他需要高功函数和低电阻率材料的领域[2]。MoO?这种过渡金属氧化物的功函数特别高（约为6.5 eV）。尽管它是一种高k值的绝缘体，但其电子结构和导电性能可以通过形成氧空位缺陷（n型掺杂，导致亚氧化物MoO?的形成[1]）而发生显著改变[1]。最近的研究[3]使用拉曼光谱、原子力显微镜和扫描电子显微镜研究了在不同热处理下，含有金属和非金属界面的缺陷非晶金属氧化物薄膜中的离子重新分布情况。薄膜的局部结构和电子态通常使用X射线光电子发射（XPS）和吸收（XAS）光谱等表面敏感技术进行研究，可能还会使用同步辐射。显然，了解这些技术的探测深度非常重要，但据我们所知，目前还没有关于这些材料相关性质的研究。

在过去几十年中，评估各种表面敏感实验技术的探测深度一直是科学研究的重点。实际上，探测深度与涉及激发电子的非弹性过程的基本物理原理密切相关，也与XPS和XAS光谱等广泛使用的光谱技术的应用范围密切相关[4]。在过去50年里，测量和计算IMFP方面取得了多项进展[4, 5, 6, 7及其中的参考文献]。现代IMFP计算方法对于激发电子能量高于50 eV的情况被认为是相当准确的，尽管IMFP曲线通常是通过考虑实验确定的损失函数和简化的非弹性散射模型得到的。另一方面，已经使用了几种技术来测量各种物质的IMFP，包括X射线光电子光谱[6]。特别是覆盖层薄膜方法[5, 6, 8, 9]已经使用了数十年，尽管很快就发现了确定IMFP的几个不确定性来源。另一种IMFP实验数据的来源是弹性峰光谱方法的应用[7]。研究表明，可以从X射线吸收测量中确定IMFP，但在低电子能量（<100 eV）时，这种方法与其他方法存在较大差异，其原因尚不清楚。

利用同步辐射源提供的可调光子能量进行精确的软X射线光电子发射实验，在本文提出的近似条件下，可以在较宽的动能范围内获得新的可靠IMFP测量结果。特别是，Elettra同步辐射设施中的CNR-IOM BEAR（Bending for Emission Absorption and Reflectivity）光束线[11, 12]提供了多种技术，可以在2.8–1800 eV的光子能量范围内进行精确的光电子发射和光吸收实验。在此背景下，我们最近在Si（100）晶片上覆盖有本征SiO?氧化层的变厚度非晶MoO?薄膜样品上，进行了精确的恒定初始态（CIS）光电子发射实验。这层氧化层起到了电子枪的作用（发射Si2p光电子），其强度由于电子在沉积膜内的散射而减弱。在这项工作中，我们提出了非晶MoO?薄膜中电子IMFP曲线的新测定方法，测量范围为33–180 eV的电子内动能，并将其与使用不同技术的先前结果进行了比较。

实验部分

在BEAR光束线的制备室内，通过高温蒸发（真空度不低于10?? mbar）将多晶MoO?薄膜（厚度通过晶体微天平测量）原位沉积在硅晶片上。所用样品由B型掺杂的p型Si（100）晶片制成，电阻率范围为0.1至1.0 Ω·cm。MoO?薄膜是通过BEAR光束线制备室中定制的蒸发池[13]沉积的。

通过覆盖层技术评估平均自由路径

覆盖层技术包括比较“干净”的硅氧化物和“覆盖有薄膜”的硅氧化物的光子电子产额。“干净”的硅氧化物在概念上代表了在没有散射的情况下电子到达检测系统的速率（作为参考曲线），“覆盖有薄膜”的硅氧化物则代表了实际情况下的电子到达速率。

我们想要测量的量是在给定检测系统的角度和能量接受范围的情况下，电子收集在能量和角度上的减少程度，这些参数已经进行了调整。

结论

使用覆盖层技术对表征良好的样品进行了精确的恒定初始态Si2p光电子发射实验，样品为非晶MoO?薄膜。氧含量评估为x = 0.255。需要强调的是，目前的电子散射性质分析严格适用于这种特定的化学和结构状态，化学计量比或结晶度的变化可能会影响IMFP。实验使用了……

CRediT作者贡献声明

乔治·丘迪诺夫（Georghii Tchoudinov）：撰写——原始草稿，研究，数据分析。赛义德·贾瓦德·雷兹瓦尼（Seyed Javad Rezvani）：监督，资源提供，研究。斯特凡诺·纳纳罗内（Stefano Nannarone）：撰写——审稿与编辑，监督，方法学研究，资金筹集。安德烈亚·迪·奇科（Andrea Di Cicco）：撰写——审稿与编辑，监督，方法学研究，资金筹集。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

感谢Nicola Mahne博士和Angelo Giglia博士在BEAR光束线测量期间提供的支持和富有成果的讨论。感谢R. Gunnella教授在AFM测量方面的支持。G. T.衷心感谢IOM-CNR和卡梅里诺大学对这项研究的支持。