第7章x射线光电子能谱学

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1、第5章X射线光电子能谱学X-RayPhotoelectronSpectroscopy(XPS)UPSX-RayPhotoelectronSpectroscopy-XPSElectronSpectroscopyforChemicalAnalysis-ESCAKaiSiegbahn,Swedish,NobelLaureate,1981第5章X射线光电子能谱学第5章X射线光电子能谱学5.1基本原理5.1.1光电子的发射及其能量X射线光电子的发射过程：当入射光子的能量h(h—普朗克常数，光波频率)明显超过原子的芯电子束缚能Eb时，可引起光电子发射。第5章X射线光电子能谱学5

2、.1基本原理5.1.1光电子的发射及其能量光电子的动能为：Ek＝h-Eb-sp（1）此处Eb从费米能级EF算起，sp是谱仪的功函数。第5章X射线光电子能谱学5.1基本原理5.1.1光电子的发射及其能量芯电子电离之后，较外层的电子可能跃入所留下的空穴。此时原子处在激发态，它可能通过发射光子或俄歇电子而退激发。因此光电子同时伴有俄歇电子。第5章X射线光电子能谱学5.1基本原理5.1.1光电子的发射及其能量在实际谱仪中常用电子学方法补偿谱仪的功函数，因此有Ek=h-Eb(2)Eb=h-Ek(3)测量光电子的动能Ek，就可用式(3)换算成电子束缚能Eb。第5章X射线光

3、电子能谱学5.1基本原理5.1.1光电子的发射及其能量定性分析：出射光电子的能量仅与入射光子的能量以及原子轨道结合能有关。因此，对于特定的单色激发源和特定的原子轨道，其光电子的能量是特征的。第5章X射线光电子能谱学5.1基本原理5.1.1光电子的发射及其能量半定量分析：X-ray辐照后，从样品表面出射的光电子的强度与样品中该原子的浓度呈函数关系。“半”，“相对”：光电子平均自由程，样品表面光洁度，元素所处化学状态，X-ray源强度，仪器能力与状态。“表面”：2.0~5.0nm，10-3原子单层；体相，0.1％。第5章X射线光电子能谱学5.1基本原理5.1.1光电子的发射

4、及其能量化学位移：由于原子外层电子的屏蔽效应，芯能级轨道上电子的结合能在不同的化学环境中是不一样的。第5章X射线光电子能谱学5.1基本原理5.1.2逃逸深度与表面灵敏度电子能谱仪之所以对表面特别灵敏是由于出射电子在样品内的非弹性散射平均自由程m很短。不论是俄歇电子或者光电子，只有那些来自表面附近逃逸深度以内的，没有经过散射而损失能量的电子才对确定Eb的谱峰有所贡献。实际的逃逸深度m与电子在固体内的运动方向有关，即=mcos(4)是出射方向与表面法线的夹角。对于XPS而言，有用的光电子能量在100～1200eV范围，对应的m＝0.5～2.0nm。第5章X射线

5、光电子能谱学5.1基本原理5.1.2逃逸深度与表面灵敏度=mcos(4)可见，垂直表面射出(=0)的电子来自最大的逃逸深度，而近似平行于表面射出(90o)的电子则纯粹来自最外表面几个原子层。因此，XPS是对表面灵敏的分析技术，采取改变探测角的方法更可以提高表面灵敏度。第5章X射线光电子能谱学5．2基本装置主要部件有X射线源、样品台、电子能量分析器、电子探测及倍增器，以及将电流转换成可读能谱的数据处理和显示的电子学系统。除电子学系统之外，所有部件都放在超高真空中。第5章X射线光电子能谱学5.2基本装置5.2.1X射线源对X射线源的要求：能量(足够激发芯电子层)

6、强度(能产生足够的光电子通量)线宽(所产生的X射线谱线要尽量窄，因为线宽是决定XPS谱峰半(峰)高(全)宽度(Fullwidthonhalf-maximum，FWHM)的主要因素)X射线源：Mg源：Mg的K线能量E=1253.6eV，线宽0.7eV；Al源：Al的K线能量E=1486.6eV，线宽0.85eV。二者都只需15kV的电压，其线宽小，稳定性好。现在有许多厂家制造配备有Mg／Al双阳极的X射线源，也有的配备Mg／Zr或Al／Zr源。因为Zr的L线能量E＝2042.4eV，虽然线宽较大(1.7eV)，却有对Al、Si等元素很灵敏的优点。第5章X射线光电子能

7、谱学5.2基本装置5.2.1X射线源除了所需要的MgK、AlK之外，X射线源还产生一系列其他谱线以及来自轫致辐射的连续谱。因此常用衍射光栅单色器滤去其他不需要的波长。若通过单色器只选出K双线中的一条，可达到0.5eV的线宽，不过强度将减弱许多。上述这类X射线管源所产生的都是离散的谱线。用同步加速器辐射可得到从10eV到10keV连续变化的X射线源，这样可以针对特定的内电子层调节波长，以获得最理想的光电离截面第5章X射线光电子能谱学5.2基本装置5.2.2电子能量分析器电子能量分析器：筒镜分析器(CMA)同心半球分析器(CHA)。第5