现代材料分析测试技术第12章X射线电子能谱

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1、本章内容:1、表面分析能谱的基本原理2、XPS的谱线识别、谱峰的位移3、XPS的实验方法及其应用第十二章X射线光电子能谱X-rayPhotoelectronSpectroscopy光电子能谱同其他各种表面分析手段一样，首先经物理学家之手开创，并随着它不断完善，在化学、金属学及表面科学领域内得到了广泛的应用。光电子能谱最初是由瑞典Uppsala大学的K.Siegbahn及其合作者经过约20年的努力而建立起来的。由于它在化学领域的广泛应用，常被称为化学分析用电子能谱（ESCA），K.Siegbahn因此获得1981年诺贝尔物理奖。因为最

2、初的光源采用了铝、镁等的特征软X射线，此方法逐渐被称为X射线光电子能谱（XPS）。另外，伦敦帝国学院的D.W.Turner等人在1962年创制了使用共振线作为真空紫外光源的光电子能谱仪，在分析分子内价电子的状态方面获得了巨大成功，并在固体价带的研究中，此方法的应用领域正逐步扩大。与XPS相对应，此方法称为紫外光电子能谱（UPS）。X射线光电子能谱的发展简介12.1表面能谱分析的基本原理一、固体表面的激发与检测由激发源发出的具有一定的能量的X射线、电子束、紫外光、离子束或中子束作用于样品的表面，可将样品的表面原子中不同能级的电子激发出

3、来，产生光电子或俄歇电子等。此类电子带有样品的表面信息，并具有特征动能。通过能量分析器收集和研究它们的能量分布，经检测记录电子信号强度与电子能量的关系曲线。即为电子能谱。1、电子能谱的分类：1）XPS(X-rayPhotoelectronSpectroscopy)XPS采用能量为1000-1500eV的射线源，能激发内层电子。各种元素内层电子的结合能是有特征性的，因此可以用来鉴别化学元素。2）UPS(UltraviolentPhotoelectronSpectroscopy)采用或作激发源。与X射线相比能量较低，只能使原子的价电子电

4、离。该方法用于研究价电子和能带结构的特征。3）AES（AugerelectronenergySpectroscopy）AES大都用电子作激发源，因为电子激发得到的俄歇电子谱强度较大。2、电子能谱法：光致电离；A+hA+*+eh紫外(真空)光电子能谱hX射线光电子能谱hAuger电子能谱（1）单色X射线也可激发多种核内电子或不同能级上的电子，产生由一系列峰组成的电子能谱图，每个峰对应于一个原子能级（s、p、d、f）；俄歇电子的特征能量与发射原子序数有关，从能谱的峰位可以鉴别元素的种类，而俄歇电子能谱的谱峰强度和该元素原子浓度

5、相关。俄歇过程是这样的：高能电子束激发原子某一壳层（如K层）的电子，产生一个空穴。一个较外层的电子（如L1壳层的电子）会填充这一空穴，同时将释放出的能量给予某一个壳层的另一个电子（如L1壳层的另一电子）使其从原子中逸出，逸出电子称为俄歇电子，这个过程称为KLL跃迁。俄歇电子能量为EKLL=EK-EL-EL。它只与K、L的能级有关，与激发初始的入射粒子的能量无关，这是AES的一个特点，也是其识别元素的依据。3、光电离几率和电子逃逸深度自由电子产生过程的能量关系：h=Eb+Ek+Er≈Eb+EkEb：电子电离能(结合能)；Ek：电子的

6、动能；Er：反冲动能光电离几率(光电离截面)：一定能量的光子在与原子作用时，从某个能级激发出一个电子的几率。与电子壳层平均半径，入射光子能量，原子序数有关；轻原子：1s/2s≈20重原子：同壳层随原子序数的增加而增大；电子逃逸深度：逸出电子的非弹性散射平均自由程。金属：0.5~2nm；氧化物：1.5~4nm；有机和高分子4~10nm；通常的取样深度d=3，因此XPS属表面无损分析技术。（2）二、光电效应与X射线光电子能谱1、光电效应入射光照射样品，当入射的能量大于原子中的电子结合能和样品的功函数时，则吸收了光子的电子

7、可以脱离样品表面进入真空中，且具有一定的能量。该现象可观测到成光电流的形成。光电效应是X射线光电子能谱的理论基础。1）电子结合能：原子中某个电子吸收了一个光子的全部能量后，消耗一部分能量克服原子核的束缚而到达样品的Fermi能级。是电子能谱要测定的基本数据。2）功函数：达到Fermi能级的电子数不再受原子核的束缚,但要继续前进须克服样品的晶格对其的引力，此过程所消耗的能量称为样品的功函数。即由Fermi能级　　自由能级的能量。3）X光电子：X射线与样品相互作用时，被样品吸收而使原子内层电子脱离原子成为自由电子。此自由电子即X光电子。

8、2、X光电子能谱的原理1）孤立原子：式中：　　为入射光子能量，　为电子结合能。因为　　已知，用能量分析器测出　，就可知道　。（3）由公式（3）可知：同一种元素的原子，不同能级上的电子结合能不同。因此在相同的　　下，同一元素会有不同能量