材料表征分析技术-9-化学成分分析XPS-2014

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1、材料表征分析技术Materialcharacterizationtechniques屈树新西南交通大学材料科学与工程学院元素分析测试样品•化学分析：为液体–化学滴定、电化学……–紫外－可见分光光度计（UV-S）、原子吸收（AAS）、等离子体发射光谱（ICP）•ESCA：ElectronSpectroscopyforChemicalAnalysis测试样品为化学分析用电子能谱固体–EPMA:ElectronProbeMicroanalysis(电子探针显微分析)–XPS:X光电子能谱–AES：俄歇电子能谱–SIMS:二次级离子质谱分

2、析–……物质的结构分析•测定物质结构的本质某种波，如微波、红外光、X射线；或某种粒子,如光子、电子、中子等试样改变试样中原子入射波（粒子）的或分子的核或散射、衍射或吸收电子的某种能态得到物质结构的信息试样中原子解离产生与入射波长或电子电离不同的波或粒子电子束与固体的相互作用•入射电子激发的物理信号背散射电子（BSE）二次电子（SEM）吸收电子透射电子（TEM）特征x射线（EDS，WDS）俄歇电子（AES）阴极荧光（阴极荧光谱）非弹性散射（EELS）光电子……XPS：概述•XPS：–X-rayPhotoelectron硫代硫酸钠Na

3、SOSpectrum，X射线光电子能223谱法•历史：–1954世界上第一台XPS：瑞典K.Siegbahn教授；硫酸钠NaSO24–20世纪60年代发现化学价态对结合能的影响,引起重视；–70年代：高真空技术与XPSXPS：测量各元素+化合价态相结合表面（几个原子层/数纳米）–1981年K.Siegbahn教授获诺贝尔物理学奖XPS：概述•一般用途：–除H以外，所有元素的表面成分分析；–各类表面物质的化学状态鉴别；–薄膜中元素分布的深度-成分分析；–对一些必须避免电子束有害影响样品的成分分析。•应用举例：–确定金属氧化物表面膜中

4、金属原子的氧化状态；–鉴别表面石墨或碳化物的碳。XPS原理对孤立原子/分子，E：将电子从所在轨道移b到真空所需的能量，以真空能级为能量零点XPS原理光电效应对固体样品，需考虑晶体势场和表面势场对光电子的束缚作用，通常选取费米（Fermi）能级为Eb的参考点：实际的X射线光电子能谱仪中的能量关系VEhE()BKSPS其中和分别是谱仪和样品的功函数SPSXPS光电效应光电效应EV与以Fermi能级算起的结合B能EF间有BVFEEBBS因此有：FEhEBKSPXPS：原理•光电子发射及其

5、能量–当入射光子能量h明显超过原子芯电子的束缚能E时，b→光电子自发射。–光电子动能•E=hE-Φkbsp•（Φ是功函数）spXPS：原理•光电子发射及其能量–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判断元素的类型。–芯电子电离后（原子处于激发态），较外层的电子可能跃入所留下的空位，通过发射光子或俄歇电子而退激发。因此光电子同时伴随俄歇电子。–用电子学方法补偿功函数，则：Ek=hEb电子能谱•俄歇电子能谱(AugerElectronSpectroscopy，AES)–当样品原子的内壳层电子受入射电

6、子的激发而留下空位时，外层较高级的电子将自发的向低能级的内壳层空位跃迁EMPA•跃迁时多余的能量将以X光子形式辐射出来，辐射跃迁；A+*→A++hυ’•或(能量差足够大)引起另一外层电子电离，从而发出一个具有一定能量的电子，俄歇跃迁。AESA+*→A++e紫外光电子能谱UPS光源电子束光电子X射线XPS（ESCA）光电子能谱（PES）试样电子E=hv俄歇电子俄歇电子能谱（AES）ESCA：ElectronSpectroscopyforChemicalAnalysisESCA•真空紫外光谱UPS–光源：紫外光–被测对象：紫外光电子（

7、1.5－5.eV）–应用：价电子和能带结构•早期：气相•现在：固体•X射线光电子能谱（XPS，ESCA）–光源：X射线–被测对象：电子（100－3000eV)(内层电子)–应用：固体，化学元素及化合价态•俄歇电子能谱（AES）–光源：电子束–被测对象：俄歇电子–应用：固体，化学元素及化合价态XPS(ESCA)•元素的分析–元素电子（多种能量的光致发射）的能量特征性；–发射的光电子——动能分布——一系列的能带•原子在分子中的化学状态和在物质中的化学环境的不同–可能改变原子内层电子的能量XPS：装置•组成：–x射线源–样品台–电子能量

8、分析器–电子探测和倍增器–数据处理与控制–真空系统XPS：样品制备•样品尺寸：1cm×1cm左右•无机材料：–溶剂清洗（萃取）→长时间抽真空→去除表面污染物–氩离子枪刻蚀→去除表面污染物–擦磨、刮磨和研磨→获得新鲜表面（注意不要带入污染物）–真空加