电子能谱分析XPS和AES

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1、电电子子能能谱谱分分析析XXPPSS和和AAEESS朱朱永永法法清清华华大大学学化化学学系系22000022年年44月月44日日表表面面分分析析信信息息�表表面面元元素素分分析析�表表面面元元素素的的化化学学状状态态�表表面面与与界界面面的的半半定定量量分分析析�元元素素与与化化学学态态沿沿深深度度方方向向的的分分布布分分析析�样样品品表表面面的的选选点点分分析析�样样品品表表面面的的线线扫扫描描分分析析�样样品品表表面面的的元元素素面面分分布布�价价态态电电子子结结构构分分析析清华大学化学系表面与材料研究组2XX射射线线

2、光光电电子子能能谱谱（（XXPPSS））�X射线光电电子子能能谱（XPS）也被称作化学分析用电电子能谱（ESCCA）�在普通的XPS谱仪中，一般采用的MgKα和AlKαX射线作为激激发发源，光子的能量足够够促促使使除除氢、氦以外的所有有元素发生光电离作用用，，产产生生特征光电子。由此可可见，XPSS技技术是一种可以对所有元素进行一次全分析的方法，这对于未知物的定性分析是非常有效的。�60年代开始研究仪器；700年年代代，商用仪器�多功功能能，，小面积，自动化清华大学化学系表面与材料研究组3XXPPSS原原理理－－光光电电离

3、离�X射线光电子能谱基于光电离作用，当一束光子辐照到样品表面时，光子可以被样品中某一元素的原子轨道上的电子所吸收，使得该电子脱离原子核的束缚，以一定的动能从原子子内内部部发发射射出出来来，，变变成成自自由的光电子。�能级图和轨道示意图清华大学化学系表面与材料研究组4光光电电子子的的结结合合能能�在光电离过程中，固体物质的结合能可以用下面的方程表示：�Ek=hν-Eb-φs（18.1）�式中Ek⎯出射的光电子的动能,eV;�hν⎯X射线源光子的能量,eV；�Eb⎯特定原子轨道上的结合能,eV；�φs⎯谱仪的功函,eV。�谱仪

4、的功函主要由谱仪材料和状态决定，对同一台谱仪基本是一个常数，与样品无关，其平均值为3～4eV。清华大学化学系表面与材料研究组5XXPPSS原原理理－－定定量量�经XX射线辐辐照照后后，从样品表面出射的光光电子的强度度是是与与样样品品中中该该原原子子的的浓浓度度有有线线性性关关系系，，可可以以利利用用它它进进行行元元素素的的半半定定量量分分析析。。�鉴于于光光电电子的强度不仅与原子的浓度有关，还与光电电子子的的平均自由程、样品的表面光洁度，元素所处处的的化化学状态，X射线源强度以及仪仪器的状态有有关关。。因因此此，，XXPP

5、SS技技术术一一般般不不能能给给出出所所分分析析元元素素的绝绝对对含含量，仅能提供各元素的相对含量。�由于于元元素素的灵敏度因子不仅与元素种类有关，还与元元素素在在物质中的存在状态，仪器的状态有一定的关关系系，，因此不经校准测得的相对含量也会存在很大大的的误误差。清华大学化学系表面与材料研究组6XXPPSS－－定定量量�XPS是一种表表面面灵灵敏的分析方法，具有有很很高高的的表面面检检测测灵灵敏敏度度，，可可以以达达到到1100--33原原子子单单层层，，但但对对于于体相检测灵敏度仅为0.1%左左右右。�XPS是一种表表面

6、面灵灵敏的分析技术，其表表面面采采样样深度为为22.0～5.0nmm，，它它提提供供的仅是表面上的元素素含量，与体相成分会有很大的差别。�而它它的的采采样深度与材料性质、光电子的能量有关，，也也同同样品表面和分析器的角度有关。清华大学化学系表面与材料研究组7XXPPSS化化学学效效应应�虽然然出出射射的光电子的结合能主要由元素的种类和激激发发轨轨道道所所决决定定，，但但由由于于原原子子外外层层电电子子的的屏屏蔽蔽效效应，，芯芯能能级轨道上的电子的结合能在不同的化学环境境中中是是不一样的，有一些微小的差异。这种结合能能上上的

7、的微小差异就是元素的化学位移，它取决于元元素素在在样品中所处的化学环境。�一般般，，元元素获得额外电子时，化学价态为负，该元元素素的的结结合合能能降降低低。。反反之之，，当当该该元元素素失失去去电电子子时，，化化学学价为正，XPS的结合能增加。利用这种化学学位位移移可以分析元素在该物种中的化学价态和存在在形形式式。元素的化学价态分析是XXPPSS分析的最重重要要的的应应用用之之一一清华大学化学系表面与材料研究组8样样品品制制备备�由于于在在实实验验过程中样品必须通过传传递杆，穿过超高高真真空空隔离阀，送进样品分析析室室。。

8、因此，样品的尺尺寸寸必必须符合一定的大小规范范，，以以利于真空进样样。。对对于块状样品和薄膜样品品，，其其长宽最好小于110mmm,高高度度小于5mm。对于体积较大的样品则则必必须须通过适当方法制备成合合适适大大小的样品。但在在制制备备过程中，必须考虑处理理过过程程可能对表面成分分和和状状态的影响。清华