表面分析1-X射线光电子能谱

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1、HuazhongUniversityofScienceandTechnology材料分析与表征技术黄云辉材料科学与工程学院第二部分表面分析技术6X-射线光电子光谱（1）基本原理（2）仪器及测试方法（3）能谱分析及应用§6-1基本原理一、电子能谱分析法概述•电子能谱分析法是采用单色光源（如X射线、紫外光）或电子束去照射样品，使样品中电子受到激发而发射出来，然后测量这些电子的产额（强度）对其能量的分布，从中获得有关信息的一类分析方法。主要介绍：X射线光电子能谱法(XPS)（X-rayPhotoelectronSpectroscopy）紫外光电

2、子能谱法(UPS)（UltravioletPhotoelectronSpectroscopy）俄歇电子能谱法(AES)（AugerElectronSpectroscopy）二、X射线光电子能谱（XPS）分析1.XPS的发现1954年，瑞典皇家科学院院士、Uppsala大学物理研究所所长K.Siegbahn教授研制出世界上第一台PhotoelectronSpectroscopy(XPS)。此后，精确测定了元素周期表中各种原子的内层电子结合能。但是，直到1960年代，他们在硫代硫酸钠的研究中发现S原子周围化学环境的不同，会引起S内层电子结合能

3、（S）的显著差异后，才2p引起人们的广泛注意。因为：原子内层结合能的变化可以提供分子结构、原子价态方面的信息。此后，XPS在材料研究的不同领域样品受到X射线辐照后，发射出光电内得到了广泛的应用。子，被探测器收集后经过计算机处理，得到该样品的XPS能谱图。1981年Siegbahn教授获得了诺贝尔物理奖2.XPS基本原理电子能谱分析是一种研究物质表层元素组成与离子状态的表面分析技术。其基本原理是利用单色射线照射样品，使样品中原子或者分子的电子受激发射，然后测量这些电子的能量分布。通过与已知元素的原子或者离子的不同壳层的电子的能量相比较，就可

4、以确定未知样品中原子或者离子的组成和状态。一般认为，表层的信息深度为电子电子10nm左右。如果利用深度剖X射线析技术如离子束溅射等，可以对样品进行深度分析。被测样品（1）原子能级原子中单个电子的运动状态可以用量子数n，l，m，m来表示。其中：lsn：主量子数。每个电子的能量主要取决于n。n，E。n可以取1，2，3，4……，分别对应着K，L，M，N……等壳层。l：角量子数，决定了电子云的几何形状。不同的l值将原子内的壳层分为几个亚层，即能级。l值与n有关，0，1，2，……，（n－1）。分别对应着s，p，d，f等能级。在给定的壳层上，l

5、，E。m：磁量子数，决定了电子云在空间伸展的方向（取向）。给定l后，m可l1以取【-l，+l】的任何整数。几率。m：自旋量子数，表示电子绕其自身轴的旋转取向。与上述3个量子数无s关，取＋½或者－½。另外，原子中的电子既有轨道运动又有自旋运动。它们之间存在着耦合（电磁相互）作用，使得能级发生分裂。对于l>0的内壳层，这种分裂可以用内量子数j来表示。其数值为：jlml1s2对于l＝0，j＝1/2。对于l>0，则j＝l＋½或者l－½。也就是说，除了s能级不发生分裂外，其他能级均分裂为两个能级：在XPS谱图中出现双峰。原子内层电子的运动

6、可以用描述单个电子运动状态的4个量子数来表征。通常电子能谱是在没有外加磁场的情况下进行的，所以磁量子数m是兼并的（不产生能级的分裂）。因此，在电子能谱研究中，通常用l主量子数n，角量子数l，和内量子数j来表征内层电子的运动状态。在XPS谱图分析中，单个原子能级用两个C1s数字和一个小写字母（共3个量子数）表示。例如：Ag原子的3d，3d。5/23/2S能级的内量子数½通常省略。如：C的1s能级没有分裂，在XPS谱图上只有一个峰，表示为：C1s。（2）光电效应（光致发射或者光电离）光电子能谱的物理基础如右图示，原子中不同能级上的X射线(h

7、)电子具有不同的结合能。当一束能量为h的入射光子与样品中的光电子(e-)原子相互作用时，单个光子把全部能量交给原子中某壳层（能级）上一个受束缚的电子。如果光子的能量大于电子的结合能E，电b子将脱离原来受束缚的能级，剩余的能量转化为该电子的动能。这个电子最后以一定的动能从原子中发射出去，成为自由电子；原子本身则成为激发态的离子。*,hAAe光电截面：当光子与材料相互作用时，从原子中各个能级发射出的光电子的数目是不同的，有一定的几率。光电效应的几率用光电截面表示，定义为某能级的电子对入射光子的有效能量转移面积，或者一定能量的

8、光子从某个能级激发出一个光电子的几率。与电子所在壳层的平均半径r、入射光子的频率和受激原子的原子序数Z有关。在入射光子的能量一定的情况下：（1）同一原子中半径越小的壳层，越大；电子结合能