反光电子能谱作为表面分析技术对于材料真空能级与费米能级间的非占据态研究具有独特的优势。非占据态能级结构直接与电荷的转移输运性质相关，尤其在半导体材料领域，费米能级两侧的电子结构对杂质的掺杂、能带的调制以及器件的研究与应用具有重要的指导意义。利用反光电子能谱与光电子能谱的互补性，可以完整描绘出费米能级两侧能级分布情况。反光电子能谱是利用低能电子入射固体表面导带的非占据部分，在电子由激发态向低位的非占据末态跃迁的过程中，将辐射真空紫外波段的光子，使用探测器捕获光子信号，则电子初态、辐射的光子能量和电子末态三者间构成能量守恒关系，由此可推导出末态的能级结构。但是，反光电子能谱因为反光电发射相互作用截面远低于光电发射截面而导致其无论是信噪比还是分辨率都劣于光电子能谱。场发射反光电子能谱使用电化学腐蚀的钨针尖作为电子源，同其他反光电子能谱用电子源发射机制不同，场发射针尖电子源是利用量子理论的隧穿效应。当钨针尖被施以一定强度的外电场时，其表面势垒不仅变低而且变窄，这使得钨内部费米能级附近的电子可以不越过势垒顶部即进入真空。因此，场发射针尖发射的电子束能量展宽相对更小，从而提高了反光电子能谱的分辨率，并且这样的反光电子能谱仪可以去掉电子单色系统，使整个谱仪结构得以简化。使用尖端半径在50nm附近的针尖可以在300-700V的偏压下实现μA量级的发射电流，配合einzel型低能电子传输透镜，样品处电子束斑直径可小于5mm。光子带通气体探测器是另一个可提高反光电子能谱分辨率和信噪比的关键部件。本文设计并成功构造了SrF2/acetone窄带通气体探测器，用于反光电子能谱的光子测量，它的平均光子探测能量为9.7eV。带通气体探测器的设计要点在于利用丙酮工作气体的高通滤波与氟化锶窗口的低能截止两种作用的叠加实现窄带通的效果。带通气体探测器内部填充混合气体，混合气体分压被优化为300-600Pa的丙酮气和10 KPa的氨气，优化的过程充分考虑了探测器的灵敏度、死时间、背底信号和寿命等重要因素。SrF2/acetone带通气体探测器是通过降低SrF2单晶窗口的温度来打开其光学带通“窗口”，从而获得光子信号的测量和计数功能。SrF2单晶温度的变化是依靠智能气冷装置实现的，其控制限值在工作范围内低于±0.2K。本文利用氘灯光栅单色系统对窗口温度与带通宽度的关系进行了精确校准，使得探测器的光子能量带通宽度低于100meV，并可以通过氟化锶单晶窗温度的变化，使带通宽度可以被连续调整下降至48meV。场发射反光电子能谱仪的性能高度依赖于超高真空环境，本文使用PLC自动或者半自动的方式实现整个真空环境的获取、测量和操作，有效避免了因人为手动操作失误可能对设备造成破坏的风险。本文也将真空度对场发射针尖和反光电子能谱的影响进行了讨论，认为10-8Pa的真空是场发射反光电子能谱仪稳定工作的必要条件。最后本文就研发的场发射反光电子能谱仪可行性进行了验证并研究了Si(100)非占据表面态，标定硅悬挂键态π*在0.75-1eV之间。