XPS原理及使用分析

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1、X射线光电子能谱分析XPSXPS—X-raysPhotoelectronSpectroscopyESCA—ElectronSpectroscopyforChemicalAnalysis1.X射线光电子能谱仪发展历史爱因斯坦：光电效应50年代，K.Siegbahn研制成功XPS谱仪60年代，发展成为商用仪器主要：PHI公司，VG公司，Karatos公司发展方向：单色化，小面积，成像XPS一、概述2.仪器功能与特点：（1）定性分析--根据测得的光电子动能可以确定表面存在哪些元素。灵敏度约0.1at%。（2）定量分析--根据具有某种能量的光电子的强度可知某种元素在表面的含量。误差约20

2、%。（3）根据某元素光电子动能的位移可了解该元素所处的化学状态，有很强的化学状态分析功能。（4）由于只有距离表面几个纳米范围的光电子可逸出表面，因此信息反映材料表面几个纳米厚度层的状态。（5）结合离子溅射可以进行深度分析。（6）对材料无破坏性。（7）由于X射线不易聚焦,照射面积大,不适于微区分析。一、概述1.XPS的产生当单色的X射线照射样品,具有一定能量的入射光子同样品原子相互作用：（1）光致电离产生光电子；（2）电子从产生之处迁移到表面；（3）电子克服逸出功而发射。用能量分析器分析光电子的动能,得到的就是X射线光电子能谱。二、XPS的测量原理2.能量关系能量关系：Hν=Eb+

3、Φs+Ek’+ErEb-电子结合能（以费米能级为零点）Φs-样品材料的功函数Ek’-电子刚逸出表面时具有的动能Er–出射电子的反冲能由于样品与能谱仪接触，产生接触电势差，而在样品表面与能谱仪之间产生电场，使光电子射出后在此电场中加速或减速，动能发生改变，测量到的动能与原始能量不一致。平衡时，有关系Ek=Ek’-(Φsp-Φs)因此可得（忽略反冲能）Hν=Eb+Φsp+Ek或Ek=hν–Eb–Φsp紫外光电子能谱分析UPS—Ultra-violetphotoelectronSpectroscopyXPS分析使用的光源阳极是Mg或Al，其能量分别是1487和1254eV。UPS的光源

4、为氦放电灯，能量为21.2或40.8eV，其能量只能够激发出价带电子，因此主要用于价带分析。3.深度剖面分析用离子束溅射剥蚀表面,用X射线光电子谱进行分析,两者交替进行,可以得到元素及其化学状态的深度分布。4.光电子能量损失机制光电子在射出表面的同时，可能激发固体中某些过程从而自身能量发生损失：（1）声子激发或点阵振动能量为几十meV，只能在高分辨谱中观察到。（2）等离子激发（3）各种单、双粒子激发XPS能谱仪的构成主要：超高真空系统；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三、仪器结构1.X射线源X射线的产生X射线源的结构X射线的单色化X射

5、线的聚焦和扫描Mg/Al双阳极X射线源能量范围适中（Mg：1253.7，Al：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，容易保存以及具有较高的寿命X射线的产生：阴极发射电子，直流高压电场对电子加速，高速碰撞阳极，产生特征X射线其中，ΔEx—X射线半宽度ΔEe—光电子自然能量分布，与样品材料有关（不确定关系）ΔEs—固态宽化效应，激发光电子时产生晶格振动，即声子对谱的影响ΔEsp—谱仪的固有分辨率提高分辨率主要办法是减小X射线宽度，即提高单色性。要求X射线的自然线宽小，分辨率才高测得光电子能谱的半宽度为2dsinθ=

6、nλ2.电子能量分析器3.超高真空系统4.控制电路5.样品台6.样品准备样品尺寸不宜过大，一般应不大于10x10x1mm；样品表面应大体上平整；样品最好能够导电；表面应作脱脂处理，绝对避免用手触摸；原始表面应尽可能尽快测试，避免长时间在空气中存放；粉末样品可以压成块状，或撒布在胶带上；也可以将粉末溶解在适当溶剂中做成溶液，屠宰样品台上，再使溶剂挥发即成样品；气体、液体样品多用冷却法令其凝固。四、谱图分析定性分析定量分析深度分析化学状态分析1.XPS定性分析是高纯Al基片上沉积的Ti(CN)x薄膜的XPS谱图，激发源为MgK谱图解析标志介绍元素鉴别消除电荷效应光电子被激发出以后，

7、非导电样品上会逐渐积累正电荷，导致测量的光电子动能减小，表观结合能正移，从而影响分析结果。办法：（1）电子枪发射电子中和；（2）样品表面镀金，厚度〈1nm；（3）在导电样品托上制备超薄样品；（4）外标法：样品上C1s的结合能为284.8eV。能量定标（1）利用已知特征谱：C1s-284.3eV（2）利用两条谱线，如：Cu2p3/2-932.8eV，Cu3s-122.9eVAu4f7/2-83.8eV，Cu2p3/2-932.8eV（3）已知能量的两种光子激发同一样品的某一能级，则