x射线光电子能谱分析

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1、X射线光电子能谱分析X-rayPhotoelectronSpectroscopy表面分析技术(SurfaceAnalysis)是对材料外层(theOuter-MostLayersofMaterials(<100nm))的研究的技术主要内容ØXPS的基本原理Ø光电子能谱仪实验技术ØX射线光电子能谱的应用7.1XPS的基本原理7.1XPS的基本原理7.1.1光电效应1.光电效应具有足够能量的入射光子(hν)同样品相互作用时，光子把它的全部能量转移给原子、分子或固体的某一束缚电子，使之电离。7.1XPS的基本原理7.1

2、XPS的基本原理7.1XPS的基本原理光子的一部分能量用来克服轨道电子结合能(EB)，余下的能量便成为发射光电子(e-)所具有的动能(EK)，这就是光电效应。用公式表示为：Ek=hν-EB–Ws结合能(EB)：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。7.1XPS的基本原理费米（Fermi）能级：0K固体能带中充满电子的最高能级；逸出功Ws：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。电子弛豫:内层电子被电离后,造成原来体系的平衡势场的破坏，使形成的离子处于激发态，其余轨道电子结构

3、将重新调整。这种电子结构的重新调整，称为电子弛豫。7.1XPS的基本原理2.光电离几率和XPS的信息深度（1）光电离几率Ø定义光电离几率(光电离截面s)：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；Ø影响因素s与电子壳层平均半径，入射光子能量，原子序数有关；7.1XPS的基本原理u在入射光子能量一定的前提下，同一原子中半径越小的壳层，s越大；u电子的结合能与入射光子的能量越接近，s越大。us越大说明该能级上的电子越容易被光激发，与同原子其它壳层上的电子相比，它的光电子峰的强度越大。7.1XPS的

4、基本原理（2）XPS信息深度样品的探测深度通常用电子的逃逸深度度量。电子逃逸深度l（Ek）：逸出电子非弹性散射的平均自由程；l：金属0.5~3nm；氧化物2~4nm；有机和高分子4~10nm；通常：取样深度d=3l；7.1XPS的基本原理3.XPS的特点在实验时样品表面受辐照损伤小，能检测周期表中除H和He以外所有的元素，并具有很高的绝对灵敏度。7.1XPS的基本原理7.1.2XPS谱图分析中原子能级的表示方法XPS谱图分析中原子能级的表示用两个数字和一个小字母表示。例如:3d5/2u第一个数字3代表主量子数(n

5、),u小写字母代表角量子数;u右下角的分数代表内量子数jl—为角量子数，l=0,1,2,3……,7.1XPS的基本原理注意:在XPS谱图中自旋－轨道偶合作用的结果，使l不等于0（非s轨道）的电子在XPS谱图上出现双峰，而S轨道上的电子没有发生能级分裂，所以在XPS谱图中只有一个峰。7.1XPS的基本原理7.1.3化学位移1.定义由于化合物结构的变化和元素氧化状态的变化引起谱峰有规律的位移称为化学位移2.化学位移现象起因及规律（1）原因内层电子一方面受到原子核强烈的库仑作用而具有一定的结合能，另一方面又受到外层电子

6、的屏蔽作用。因而元素的价态改变或周围元素的电负性改变，则内层电子的结合能改变。7.1XPS的基本原理（2）规律当元素的价态增加，电子受原子核的库伦作用增加，结合能增加；当外层电子密度减少时，屏蔽作用将减弱，内层电子的结合能增加；反之则结合能将减少。7.1XPS的基本原理Ø与元素电负性的关系三氟乙酸乙酯电负性：F>O>C>H4个碳元素所处化学环境不同；7.1XPS的基本原理7.1XPS的基本原理Ø与氧化态关系7.2光电子能谱仪实验技术7.2.1光电子能谱仪的结构电子能谱仪主要由激发源、电子能量分析器、探测电子的监测

7、器和真空系统等几个部分组成。7.2光电子能谱仪实验技术7.2光电子能谱仪实验技术ØXPS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；ØUPS采用16~41ev的真空光电子作激发源。与X射线相比能量较低，只能使原子的价电子电离，用于研究价电子和能带结构的特征。ØAES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。7.2光电子能谱仪实验技术1．Ｘ射线激发源XPS中最常用的X射线源主要由灯丝、栅极和阳极靶构成。X射线源的主要指标是

8、强度和线宽，一般采用Ka线，因为它是X射线发射谱中强度最大的。在X射线光电子能谱中最重要的两个X射线源是Mg和Al的特征Ka射线.7.2光电子能谱仪实验技术7.2光电子能谱仪实验技术2.电子能量分析器（1）作用：探测样品发射出来的不同能量电子的相对强度。它必须在高真空条件下工作，压力要低于10-5帕，以便尽量减少电子与分析器中残余气体分子碰撞的几率。（2）类型7.2光电子