表界面分析(XPS)课件.ppt

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1、第六章表面分析技术之光电子能谱仪XPS表面分析简介一、什么是表面及表面分析技术？表面：物体与周围环境（气体、液体、固体或真空）的边界，第四态。固体表面：是有一定厚度的，有时指表面的第一原子层，有时指上面几个原子层，有时厚度达到几个纳米的表面层。表面分析技术：通过微观粒子或（电、磁、力等）场与表面的相互作用而获取表面信息的技术。与超高真空、电子离子光学、微弱信号检测和计算机技术密不可分。二、表面分析包含内容表面形貌分析：电子显微镜、离子显微镜、STM、AFM表面组分分析：测定表面的元素组成、化学态及在表面层的横向与纵向分布表面结构分析：测定表面原子排列

2、，包括衬底表面原子及其上吸附单层原子的相对位置，LEED、STM、LEISS、ARPES、XPD、AP-FIM表面电子态分析：测定表面原子能级的性质、表面态密度、表面电荷密度分布和能量分布。UPS、STM、HREELS表面原子态分析：测定表面原子振动，表面原子化学键的性质与吸附位置、吸附原子态，吸附原子成键方向和吸附质成键的基底原子的情况。高分辨电子能量损失谱、热脱附和电子、光子诱导脱附三、各种表面分析技术特征比较四、什么是光电子能谱仪XPS？光电子能谱仪：采用单色光源（如X射线、紫外光）或电子束照射样品表面，使样品中的原子或分子受到激发而发射电子，

3、通过测量这些电子的能量分布，获得物质的结构组成等有关信息的一类分析方法。别名ESCA，全称为ElectronSpectroscopyforChemicalAnalysis分类：X射线光电子能谱（XPS）、紫外光电子能谱（UPS）、X光俄歇电子能谱（XAES）。特点：不仅能测定表面的组成元素，而且能确定各元素的化学状态五、XPS优点：干扰小，定性分析标示性强；直接得到电子能级结构的信息；分析样品深度约~2nm，分析所需试样约10-8g，是一种高灵敏超痕量无损表面分析技术；样品处理简单、适用性广、可获取丰富的化学信息等特点；可以测定除H和He以外所有元素

4、的定性、定量和化学状态。X射线光电子谱XPS目录XPS概述XPS基本原理初态效应和化学位移终态效应及其伴峰XPS价带谱XPS构造XPS应用一、XPS概述XPS是用一束特征波长(能量hν)的X射线，激发材料中有关原子轨道的电子，被击出的电子成为光电子，光电子的动能(Ek)大小与具体元素及其轨道结合能(Eb)存在对应关系，三者满足Einstein光电发射定律：Ek=hν-EBXPS的基本原理是光电效应。对于导电固体，Ek=hν-EB-Ws对于非导电固体，Ek=hν-EB-Ws+EcEB：结合能，电子克服原子核束缚和周围电子的作用，到达费米能级所需要的能量

5、。Ws：逸出功，固体样品中电子由费米能级跃迁到自由电子能级所需要的能量。费米（Fermi）能级：0K固体能带中充满电子的最高能级；根据测定的光电子动能Ek，得到相关受激原子轨道电子的结合能Eb，在XPS谱中有对应的特征峰，由此确立相应的元素种类。---XPS测定表面化学组成的理论依据。另一方面，所测得的光电子数量和样品中受激轨道数，即原子的数量有关，如果把在确定时间内收集的光电子数(电子数/s)对光电子动能作图，得到光电子谱。金属Al表面XPS谱(a)全谱(b)窄能量范围谱XPS光电子谱的主要信息内容：表面化学组成定性分析，可指认所属元素及其电离轨道

6、；谱峰强度与样品中被电离的原子数量成正比，可进行定量分析；从内能级谱线对应结合能的位移，直接确定确定相关元素的化学状态；原子内能级电子电离，不可避免发生俄歇跃迁，出现俄歇伴峰；谱线特征与原子内电子结构有关。原子内能级谱线的多重分裂同它的价带电子占有情况有关；费米能级附近电子状态密度分布同价电子或化学成键状况有关；光电子出射时会与价带中自由电子相互作用，在低动能段产生费弹性能量损失峰，构成XPS更多信息；XPS峰形、峰宽与激发态寿命及振动展宽相关，可研究固体或分子中电子构型。二、XPS基本原理从图可见，XPS图主结构包括：Auger电子峰S轨道电子峰为

7、单峰，而其它轨道如p、d为双峰双峰分裂的间距对于不同轨道为何不同，如3d和3p峰双线分隔间距不同X光电子峰，如3s、3p、3d…等,谱带强度高于4s、4p，而3d峰高于3s、3p台阶式背景伴峰，如3d伴峰？1.X射线与物质相互作用时产生的信息：光电离过程：光子能量转化为电子能量的过程光电离过程一般为单光子，单电子过程；光电离过程是量子化的，光电子能量也是量子化的，与原子轨道有关；只要光子能量足够，可以激发出所有轨道电子；对气体是电离能，对固体还需要考虑功函的影响特征X射线俄歇电子光电离过程电子弛豫光电离截面（光电离几率)：一定能量的光子在与原子作用

8、时，从某个能级激发出一个电子的几率，称为光电离几率。与电子壳层平均半径、入射光子能量、原子序数有关；入射光