现代测试技术-_XPS

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1、X射线光电子能谱分析(XPS)X-rayPhotoelectronSpectroscopy1表面分析技术(SurfaceAnalysis)是对材料外层(theOuter-MostLayersofMaterials(<100nm))的研究的技术X-rayBeamX-raypenetrationdepth~1mm.Electronscanbeexcitedinthisentirevolume.X-rayexcitationarea~1x1cm2.Electronsareemittedfromthisentirearea.Elec

2、tronsareextractedonlyfromanarrowsolidangle.1mm210nm3Bindingenergy(eV)Area(%)BondsC1s1%Fe-OMMT/LDPE284.942.8C-CC-H291.857.2C=CC1s1%Na-OMMT/LDPE283.739.0C-CC-H285.526.0C-O287.434.9C=OTable9.DetaildataofC1sanalysisintheresidueof1%Fe-OMMT/LDPEand1%Na-OMMT/LDPE主要内容XPS的基

3、本原理光电子能谱仪实验技术X射线光电子能谱的应用11.1XPS的基本原理XPS是由瑞典Uppsala大学的K.Siegbahn及其同事历经近20年的潜心研究于60年代中期研制开发出的一种新型表面分析仪器和方法。鉴于K.Siegbahn教授对发展XPS领域做出的重大贡献，他被授予1981年诺贝尔物理学奖。XPS现象基于爱因斯坦于1905年揭示的光电效应，爱因斯坦由于这方面的工作被授予1921年诺贝尔物理学奖；X射线是由德国物理学家伦琴（WilhelmConradRöntgen，l845-1923）于1895年发现的，他由此获得

4、了1901年首届诺贝尔物理学奖。X射线光电子能谱（XPS，全称为X-rayPhotoelectronSpectroscopy）是一种基于光电效应的电子能谱，它是利用X射线光子激发出物质表面原子的内层电子，通过对这些电子进行能量分析而获得的一种能谱。能谱最初是被用来进行化学分析，因此它还有一个名称，即化学分析电子能谱（ESCA，全称为ElectronSpectroscopyforChemicalAnalysis）X射线物理X射线起源于轫致辐射，可被认为是光电效应的逆过程，既：电子损失动能产生光子(X射线)快电子原子核慢电子E

5、K1EK2h光子因为原子的质量至少是电子质量的2000倍，我们可以把反冲原子的能量忽略不计。11.1XPS的基本原理11.1.1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。X射线激发光电子的原理11.1XPS的基本原理电子能谱法：光致电离；A+hA+*+eh紫外(真空)光电子能谱hX射线光电子能谱hAuger电子能谱单色X射线也可激发多种核内电子或不同能级上的电子，产生由一系列峰组成的电子能谱图，每个峰对应于一个原子能级（s

6、、p、d、f）；11.1.1原理方程光子的一部分能量用来克服轨道电子结合能(EB)，逃逸消耗Ws，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–Ws11.1.2XPS的基本原理涉及的名词结合能(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。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，

7、其余轨道电子结构将重新调整。这种电子结构的重新调整，称为电子弛豫。11.1.3XPS应用涉及的基本概念光电离几率和XPS的信息深度（1）光电离几率定义光电离几率(光电离截面)：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；影响因素与电子壳层平均半径，入射光子能量，原子序数有关；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，越大；电子的结合能与入射光子的能量越接近，越大;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。（2）XPS信息深度样品的探测深

8、度通常用电子的逃逸深度度量。电子逃逸深度（Ek）：逸出电子非弹性散射的平均自由程；：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=3；11.2XPS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。