X射线光电子能谱学

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1、X射线光电子能谱学射线诱发的光电子能谱技术通常分为两类:紫外光电子能谱(UPS)和X射线光电子能谱(X-RayPhotoelectronSpectroscopy，简称XPS)。XPS最早是在原子物理实验室用来系统测量各种元素原子的电子束缚能，70年代初超高真空技术开始与XPS相结合。如今XPS已成为材料表面分析的常规工具。由于XPS可用来分析元素的化学状态，所以又称为化学分析用的电子能谱(ElectronSpectroscopyforChemicalAnalysis-ESCA)，这个名词强调在X射线电子能谱中既有光电子峰也包含了俄歇峰。基本原理1.光电子的发射及其能量当入射光子的能

2、量hv(h一普朗克常数，v-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。光电子的动能为此处Eb从费米能级EF算起，φsp是谱仪的功函数。由于每种元素的电子结构是独特的，测定一个或多个光电子的束缚能就可以判断元素的类型。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弋很短。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的谱峰有所贡献对于XPS而言，有用的光电子能量在100^-1200eV范围，对应的λm=0.5-2.0nm.实际的逃逸深度λ与电子在固体内的运动

3、方向有关，即θ是出射方向与表面法线的夹角。可见，垂直表面射出(θ=0)的电子来自最大的逃逸深度，而近似平行于表面射出的电子则纯粹来自最外表面几个原子层。因此，XPS和AES一样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。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。XPS能谱仪的构成主要：真空系统；X射线源；能量分析系统电子控制系统数据采集和处理系统X射线光电子能谱仪结构框图真空系统为什么需要超高真空？电子的平均自由程；（10－5Torr，

4、50m）清洁表面（10－6torr，1s，原子单层）场发射离子枪要求XPS要求：10-8torr以上真空系统的构成机械泵：有油污染，噪音，10－3torr吸附泵：干净，需要液氮，容量小，10－3torr油扩泵：价格低，油污染，10－6－10－10torr涡轮分子泵：体积小，半无油，抽速大，价高噪音大，10－8torr溅射离子泵：高真空，无油，需要前级真空无噪音，10－11torr升华泵：抽速高，需要前级真空，消耗性X射线的产生X射线是特征射线，不是连续波，能量具有单色性；X射线的能量与材料有关；X射线不是一根线，具有一系列线；XPS需要单色的，一定能量的X射线X射线源结构由灯丝，阳

5、极靶及虑窗组成一般采用双阳极靶常用Mg/Al双阳极靶加铝窗或Be窗，阻隔电子进入分析室，也阻隔X射线辐射损伤样品。灯丝不面对阳极靶，避免阳极的污染不同射线源的能量和线宽X射线源的选择对于一些元素，其结合能较高，选择高能量靶，可以提高信号强度；对于一些元素，需要高的能量分辨率以及低结合能端的信息，就可以采用低能靶；对于研究XAES线，一般需要采用高能靶。低能靶的能量分辨率高，对价带峰和低动能峰有利；高能靶激发能量强，能量分别率差。Mg/Al双阳极X射线源能量范围适中（1253.7和1486.7eV）X射线的能量范围窄（0.7和0.85eV）能激发几乎所有的元素产生光电子；靶材稳定，容

6、易保存以及具有较高的寿命不同X射线源激发的XPS谱X射线的单色化X射线均具有很宽的自然宽度，能量分辨率受到限制；必须进行单色化；X射线难以聚焦，单色化很困难；一般采用Rowland圆晶体进行单色化（衍射方式）。强度为原来的1%。容易产生严重荷电效应；能量分析器电子能谱的核心部分，要求能精确测定能量；磁偏转式能量分析器（对环境磁场灵敏，目前不采用）和静电型能量分析器；分析器外部必须用u金属进行磁场屏蔽；静电分析器具有四种形式。分析方式对于XPS一般采用固定通能方式（FAT），deltaE是恒定的；当能量比较高时，其分辨能力下降；因此，采用减速装置；对于UPS实验，光电子能力低，不需要

7、预减速处理。对于UPS和AES，为了提高仪器灵敏度，采用FRR模式（deltaE/E恒定），不需要预减速处理。检测器光电子信号微弱；10－11A光电倍增管，多通道板，位置灵敏检测器；光电倍增管：采用高阻抗，二次电子发射材料，增益：109离子束溅射样品表面的清洁；样品表面层的剥离；Ar离子，氧离子，铯离子，镓离子等固定溅射和扫描溅射溅射因素作为深度分析的离子枪，一般采用0.5～5KeV的Ar离子源。扫描离子束的束斑直径一般在1～10mm范围，溅射速率范围为0.1～50n