X射线光电子能谱XPS.ppt

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1、X射线光电子能谱（XPS）X-rayPhotoelectronSpectroscopy电子能谱学概论电子能谱学的定义电子能谱学可以定义为利用具有一定能量的粒子（光子，电子，粒子）轰击特定的样品，研究从样品中释放出来的电子或离子的能量分布和空间分布，从而了解样品的基本特征的方法。入射粒子与样品中的原子发生相互作用，经历各种能量转递的物理效应，最后释放出的电子和粒子具有样品中原子的特征信息。通过对这些信息的解析，可以获得样品中原子的各种信息如含量，化学价态等。电子能谱学的研究内容电子能谱学的内容非常广泛，凡是涉及

2、到利用电子，离子能量进行分析的技术，均可归属为电子能谱学的范围。根据激发离子以及出射离子的性质，可以分为以下几种技术：紫外光电子能谱（UltravioletPhotoelectronSpectroscopy，UPS）X射线光电子能谱（X－rayPhotoelectronSpectroscopy，XPS）俄歇电子能谱（AugerElectronSpectroscopy,AES）离子散射谱（IonScatteringSpectroscopy，ISS）电子能量损失谱（ElectronEnergyLossSpectr

3、oscopy，EELS）电子能谱学概论电子能谱学概论UV紫外光电子能谱X射线X射线光电子能谱电子束X射线Auger电子能谱电子能谱学与表面分析的关系电子能谱学与表面分析有着不可分割的关系。电子能谱学中的主要技术均具有非常灵敏的表面性，是表面分析的主要工具。表面分析在微电子器件，催化剂，材料保护，表面改性以及功能薄膜材料等方面具有重要的应用价值。这些领域的发展促进了表面分析技术的发展，同样也就促进了电子能谱学的发展。电子能谱学的特点是其表面性以及价态关系，这决定了电子能谱在表面分析中的地位。电子能谱学概论电子能

4、谱学的应用电子能谱学的应用主要在表面分析和价态分析方面。可以给出表面的化学组成，原子排列，电子状态等信息。对于XPS和AES还可以对表面元素做出一次全部定性和定量分析，还可以利用其化学位移效应进行元素价态分析；利用离子束的溅射效应可以获得元素沿深度的化学成份分布信息。此外，利用其高空间分别率，还可以进行微区选点分析，线分布扫描分析以及元素的面分布分析。这些技术使得电子能谱学在材料科学，物理学，化学，半导体以及环境等方面具有广泛的应用。电子能谱学概论1887年赫兹首先发现了光电效应1905年爱因斯坦建立了有关光

5、电效应的理论公式1954年，瑞典皇家科学院院士，Uppsala大学物理研究所所长，K.Seigbahn(西格巴恩)教授领导的研究小组经过近20年的潜心研究而创立了世界上第一台光电子能谱仪。他们发现了内层电子结合能的位移现象，解决了电子能量分析等技术问题，测定了元素周期表中各元素轨道结合能，并成功地应用于许多实际的化学体系。K.Siegbahn给这种谱仪取名为化学分析电子能谱(ElectronSpectroscopyforChemicalAnalysis)，简称为“ESCA”。随着科学技术的发展，XPS也在不断

6、地完善。目前，已开发出的小面积X射线光电子能谱，大大提高了XPS的空间分辨能力。XPS发展概况XPS特点XPS的主要特点是它能在不太高的真空度下进行表面分析研究，这是其它方法都做不到的。当用电子束激发时，如用AES法，必须使用超高真空，以防止样品上形成碳的沉积物而掩盖被测表面。X射线比较柔和的特性使我们有可能在中等真空程度下对表面观察若干小时而不会影响测试结果。此外，化学位移效应也是XPS法不同于其它方法的另一特点，即采用直观的化学认识即可解释XPS中的化学位移，相比之下，在AES中解释起来就困难的多。光电效

7、应：当一个γ光子与物质原子中的束缚电子作用时，光子把能量转移给某个束缚电子，使之脱离原子而发射出去，而光子本身被全部吸收，这个过程称为光电效应。M+hν=M*++e-光电效应过程同时满足能量守恒和动量守恒，入射光子和光电子的动量之间的差额是由原子的反冲来补偿的。由于需要原子核来保持动量守恒，因此光电效应的几率随着电子同原子核结合的加紧而很快的增加，所以只要光子的能量足够大，被激发的总是内层电子。外层电子的光电效应几率就会很小，特别是价带，对于入射光来说几乎是“透明”的。在K壳层击出光电子的几率最大，约占80%

8、。XPS基本原理电离截面σ：由于光电子发射必须由原子的反冲来支持所以同一原子中轨道半径愈小的壳层σ愈大；轨道电子结合能与入射光能量愈接近电离截面σ愈大，这是因为入射光总是激发尽可能深的能级中的电子；对于同一壳层，原子序数Z愈大的元素，电离截面σ愈大。XPS基本原理XPS基本原理电子结合能:是指原子中某个电子吸收了的全部能量后，消耗一部分能量以克服原子核的束缚而到达样品的费米能级，这一过程消耗的能量。