表面与界面分析

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1、材料分析化学第卜讲表而与界而分析朱永法清华大学化学系2003年12月16日ftp://166.lll.28.134Port:20User:lessonpass:lessonnjf=x—*表侖与朿而分析的意义■电子材料研究的必要■薄膜材料研究的必要■催化材料研究的必要■纳米材料研究的需要■表而与界而现象的普遍性■材料的性能：取决于表面与界面特征前言一分类■X射线光电了能谱(XPSorESCA)■紫外光电子能谱(UPS)■俄歇电子能谱(AES)■低能离子散射谱(ISS)■低能电子能量损失谱(EELS)■二次离子质谱(SIMS)■低能电了衍射(

2、LEED)前言一研究内容■表面元素成分及其化学状态表血元素鉴定，存在化学状态，化学键合状态，定量情况■农面儿何结构原子的二维排列次序■农面的电了结构电子能态密度分布等■表而上的原子运动表面扩散，吸附以及反应等表血分析信息■表而元素分析■表血元素的化学状态■表面与界面的半定量分析■元索与化学态沿深度方向的分布分析■样品表血的选点分析■样品表而的线扫描分析■样品表血的元索血分布■价态电子结构分析前言一特点■农面性表而只占体相的很小部分，10⑴倍■表面单分子层的电离截而很小。要求有很高的灵敏度■表而上存在人量悬挂化学健其化学状态可能与体相不同前

3、言一表面概念■表而分析，薄膜分析，体相分析的比较前言一常用分析方法■XPS(50%)■AES(40%)■SIMS(10%)■其它主要用于专门研究主要应用方面X射线光电了能谱(XPS)■X射线光电子能谱(XPS)也被称作化学分析用电子能谱(ESCA)■在普通的XPS谱仪中，一般釆用的MgKa和AlKctX射线作为激发源，光了的能量足够促使除氢、氨以外的所有元素发生光电离作用，产生特征光电子。由此町见,XPS技术是一种可以对所有元索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。■光电效应的发现■60年代开始研究仪器■70年代，商用

4、仪器■多功能，小浙积，自动化XPS原理一光电离■X射线光电子能谱基于光电离作用，当一束光了辐照到样品表而时，光子可以被样品中某一元素的原子轨道上的电了所吸收，使得该电了脱离原子核的朿缚，以一定的动能从原了内部发射出来，变成自

5、±

6、的光电子，而原子本身则变成一个激发态的离子。■能级图和轨道示意图XPS原理一电离截面■电离截而与激发能屋的关系XPS原理一表而灵敏度■非弹性散射平均自由程IMFP■I=Ioexp(-x/X)■IMFP与材料有关■IMFP还与电了动能有关材料关系，能量关系图入XPS取样深度■取样深度概念(L=3X)■物理意义见图X

7、PS原理■取样深度与原子序数的关系图取样深度■金屈：0.5—2nm■无机物：l-3nm■有机物：3-10nm■与各种物质性质有关光电子的结合能■在光电离过程中，固体物质的逬合能可以用下而的方程表示：■Ek=/?v-Eb-(

8、)s(18」)■式中Ek——出射的光电子的动能,eV;-/7V—X射线源光了的能量,eV；■Eb—特定原了轨道上的结合能,eV；■帕一谱仪的功函,eVo■谱仪的功函主要山谱仪材料和状态决定，对同一台谱仪棊本是一个常数，与样品无关,其平均值为3〜4eV。XPS结合能■在XPS分析中,由于釆用的X射线激发源的能量较高，不仅

9、可以激发出原子价轨道中的价电子，还可以激发岀芯能级上的内层轨道电子，其出射光电子的能量仅与入射光子的能量及原子轨道结合能有关。因此，对于特定的单色激发源和特定的原了轨道，其光电了的能量是特征的。■当固定激发源能量时，其光电子的能屋仅与元素的种类和所电离激发的原了轨道有关。因此，我们可以根据光电子的结合能定性分析物质的元索种类。XPS原理一定量■经X射线辐照后，从样品表面出射的光电子的强度是与样品中该原了的浓度有线性关系,可以利用它进行元素的半定量分析。■鉴于光电了的强度不仅与原子的浓度有关，还与光电了的平均自由程、样品的表面光洁度，元索所

10、处的化学状态，X射线源强度以及仪器的状态有关。因此,XPS技术一般不能给出所分析元索的绝对含量，仅能提供各元素的相对含量。■由于元素的灵敏度因子不仅与元素种类有关，还与元素在物质中的存在状态，仪器的状态有一定的关系，因此不经校准测得的相对含量也会存在很大的误差。XPS—定量■XPS是一种表血灵敬的分析方法，具有很高的表而检测灵敏度，可以达到10-3原子单层，但对于体相检测灵敏度仅为0.1%左右。■XPS是一种表面灵敏的分析技术，其表而釆样深度为2.0〜5.0nm,它提供的仅是表面上的元素含量，与体和成分会有很大的差别。而它的采样深度与材料

11、性质、光电子的能量有关，也同样詁表面和分析器的角度有关。XPS化学效应■虽然岀射的光电子的结合能主要山元素的种类和激发轨道所决定，但由于原子外层电了的丿非蔽效应，芯能级轨道上的电子的结合能在不