X射线光电子能谱分析颜旭

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1、只做学术交流之用，请勿做商业用途，转载请说明出处！X射线光电子能谱分析X射线光电子能谱法(X-rayPhotoelectronSpectrum)在表面分析领域中是一种崭新的方法。虽然用X射线照射固体材料并测量由此引起的电子动能的分布早在本世纪初就有报道，但当时可达到的分辩率还不足以观测到光电子能谱上的实际光峰。直到1958年，以Siegbahn为首的一个瑞典研究小组首次观测到光峰现象，并发现此方法可以用来研究元素的种类及其化学状态，故而取名“化学分析光电子能谱（ElectronSpectroscopyforC

2、hemicalAnalysis-ESCA）。目前XPS和ESCA已公认为是同义词而不再加以区别.XPS的主要特点(1)可以分析除H和He以外的所有元素，对所有元素的灵敏度具有相同的数量级．(2)相邻元素的同种能级的谱线相隔较远，相互干扰较少，元素定性的标识性强．(3)能够观测化学位移。化学位移同原子氧化态、原子电荷和官能团有关。化学位移信息是XPS用作结构分析和化学键研究的基础．(4)可作定量分析．既可测定元素的相对浓度，又可测定相同元素的不同氧化态的相对浓度。(5)是一种高灵敏超微量表面分析技术。样品分析的

3、深度约20A，信号来自表面几个原子层，样品量可少至10E-8g，绝对灵敏度高达10E-18g。基本原理用X射线照射固体时，由于光电效应，原子的某一能级的电子被击出物体之外，此电子称为光电子。如果X射线光子的能量为，电子在该能级上的结合能为，射出固体后的动能为，则它们之间的关系为：式中Ws为功函数，它表示固体中的束缚电子除克服各别原子核对它的吸引外，还必须克服整个晶体对它的吸引才能逸出样品表面，即电子逸出表面所做的功。上式可另表示为：可见，当入射X射线能量一定后，若测出功函数和电子的动能，即可求出电子的结合能。

4、由于只有表面处的光电子才能从固体中逸出，因而测得的电子结合能必然反应了表面化学成份的情况。这正是光电子能谱仪的基本测试原理。应用简介XPS电子能谱曲线的横坐标是电子结合能，纵坐标是光电子的测量强度（如左图所示）。可以根据XPS电子结合能标准手册对被分析元素进行鉴定。XPS是当代谱学领域中最活跃的分支之一，虽然只有十几年的历史，但其发展速度很快，在电子工业、化学化工、能源、冶金、生物医学和环境中得到了广泛应用。除了可以根据测得的电子结合能确定样品的化学成份外，XPS最重要的应用在于确定元素的化合状态。当元素处于

5、化合物状态时，与纯元素相比，电子的结合能有一些小的变化，称为化学位移，表现在电子能谱曲线上就是谱峰发生少量平移。测量化学位移，可以了解原子的状态和化学键的情况。例如Al2O3中的3价铝与纯铝（0价）的电子结合能存在大约3电子伏特的化学位移，而氧化铜(CuO)与氧化亚铜(Cu2O)存在大约1.6电子伏特的化学位移。这样就可以通过化学位移的测量确定元素的化合状态，从而更好地研究表面成份的变化情况。氧化铜与氧化亚铜的XPS谱图反映出二者间的化学位移仪器组成及结构一台XPS能谱仪包括三部分：电子的产生、电子能量分沂和

6、电子的探测．这三部分都必须在高真空条件下工作。工作原理从激发源发射出来的单能量光子束照射样品，处于样品中的束缚电子被电离而射出．光电子在能量分析器中按其能量或动量被“色散”、聚焦而由探测器接收。探测器输出的脉冲信号经放大、甄别、整形，输入记录控制系统(电子计算机)，最后输送到X—Y记录仪控制其y轴。对光电子能量的扫描，由连续地或步进地控制分析器电压的变化来实现。此扫描电压同时输送到X-Y记录仪x铀驱动器上。这样，在X-Y记录仪上就得到y轴表示强度、x轴表示能量的电子能谱。主要部件的原理、结构和性能X射线源主要

7、由灯丝和阳极靶构成，在灯丝和阳极靶之间加一个栅极使电子束偏转聚焦。由灯丝发射出的电子被高压电场加速打到阳极靶上，电子和靶中原子发生碰撞．只耍电子能量大到一定数值，就可把原子的内层电子打出去形成空穴，当内层电子被打出后，其空穴可以被外层中任一电子所填补而发射X射线，从而产生一系列的谱线．在x射线光电子能谱中，常用Mg和AI作阳极靶．Mg的Ka双线的能量是1254eV，谱线的自然宽度约为0.7ev。A1的Ka双线的能量是1437ev，线宽约为0.9ev。X射线的自然宽度对谱仪的分辨率影响很大。为了提高仪器的分辨率

8、可使X射线单色化电子能量分析器是测量电子能量分布的一种装置，其作用是探测样品发射出来的不同能量电子的相对强度。通过加垂直的方向电场(电子沿水平方向前进)的方法，使不同能量的电子逐渐分离，使一束电子流成为多束。然后分别进行记数，达到测量的目的。下面来介绍一下半球形分析器。电子能量分析器半球形分析器半球形分析器设内球面半径为，外球面半径为，则平均半径。如果内、外球面之间的电位差为，那么动能为的电子沿着半