XPS实验报告-参考.doc

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1、电子能谱实验实验日期：2009-11-30报告人：张丽颖（7）组员：邓春凤、代庆娥、刘丽娜实验内容：一、实验目的(1)了解X光电子能谱（XPS）测量原理、仪器工作结构及应用；(2)通过对选定的样品实验，初步掌握XPS实验方法及谱图分析。二、实验原理1、光电发射过程光子照射到样品上，被样品表面原子的电子吸收，逸出样品表面。2、光电子能谱一定能量的电子、X光、UV等入射到（作用到）样品上，将样品表面原子中的不同能级的电子激发成自由电子，这些电子带有样品表面信息，具有特征能量，研究这类电子的能量分布，即为电子能谱分析。而以光子激发出自由电子得到的电子能谱称为光电子能谱

2、，用X光激发得到的光电子能谱就叫做XPS。3、能量关系光电发射有：hν+M→M++e(Ek)，其中，hν是入射光子，M是样品原子，Ek是光电子动能。得到能量关系（Einstein关系）：Ek=hν-Eb→Eb=hν-Ek-φsa（固体），其中，hν是光子能量，Eb是结合能（相对于费米能级EF），Ek是光电子动能，φsa是固体样品功函数。实际实验中是将样品与分析器相连接地，二者处于相同电位上，能量关系如图1所示，光电子结合能又可表示为：Eb=hv-Ek’-φsa........样品=hv-Ek-φsp.........仪器其中φsp是仪器功函数。图1.固体样品的光

3、电子发射能量关系图4、化学态分析物理位移：由于物理因素而引起的结合能位移为物理位移，如相变，固体热效应，荷电效应等。其中荷电效应是由于样品光电子的逸出使样品电位升高，对后续实验产生的光电子有吸引作用，导致测量得到的结合能高于实际值。化学位移：由于原子处于不同的化学环境而引起的结合能的位移（ΔEb）为化学位移。结合能化学位移变化规律：(a)同一元素中，1s,2s,2p1/2,2p3/2,3s,3p1/2,3p3/2,3d5/2,3d3/2,....结合能变小。(b)同一周期内主族元素结合能ΔEb位移随化合价的升高线性增加；而过渡元素的ΔEb随化合价变化相反，如图为

4、元素氧化物的结合能位移ΔEb与原子序数Z间的关系。(c)分子M中某原子A的内层电子结合能位移ΔEbA同它周围的结合的原子电负性之和ΣX有一定的关系。(d)NMR,Mossbauer谱，IR关系；在分子（化合物）分析中，(少数化合物)XPS的ΔEb与NMR,Mossbauer谱的ΔEb成正比。(e)反应热6、俄歇效应图2.俄歇过程原子能级图当X射线辐射到物体上时，由于光子能量很高，能穿入物体，使原子内壳层上的束缚电子发射出来。当一个处于内层电子被移除后，在内壳层上出现空位，而原子外壳层上高能级的电子可能跃迁到这空位上，同时释放能量，这部分能量被同层或能级更高的外壳

5、层电子吸收成为自由电子，这种自由电子叫做俄歇电子，俄歇电子的能级跃迁图如图2所示。俄歇电子为内转换电子，能量为Ewxyk（Z），对于固体材料，需考虑功函数Φ，原子序数为Z时,从固体中激发出来的俄歇电子的能量可以用下面经验公式计算：EWXY(Z)=EW(Z)-EX(Z)-EY(Z+Δ)-Φ式中，EWXY(Z)是原子序数为Z的原子，W空穴被X电子填充得到的俄歇电子Y的能量，EW(Z)-EX(Z)是X电子填充W空穴时释放的能量，EY(Z+Δ)是Y电子电离所需的能量。如果电子束（或其它荷能粒子）将某原子K层电子激发为自由电子，L层电子跃迁到K层，释放的能量又将L层的另一

6、个电子激发为俄歇电子，这个俄歇电子就称为KLL俄歇电子。由于H、He原子只有一个主壳层由电子存在，故无俄歇电子能谱。图3.一般X光电子谱仪的构造方框图5、XPS仪器装置的方框图。图3是一般X光电子谱仪的构造图，而本次实验采用了半球形能量分析器，故X光电子谱仪的构造如图4所示。图4.采用半球形分析器的X光电子谱仪三、实验结果本次实验采用的是AlKαX射线源，能量是hv=1486.6eV。宽程及窄程扫描得到的能谱图见后面附图。1、宽程扫描确定样品成分能量分析扫面范围设在(0~1400)eV范围内，在图谱中读取最强峰X=289.2eV处，查表得知与元素C（1S1/2）

7、的结合能285eV接近；又在X=1225eV处找到了C（KL23L23）的俄歇峰，由此确定样品含有C元素。在图谱中读取次强峰X=533.4eV，查表得知与元素O（1S1/2）的结合能531eV接近；又在X=978eV处找到了O（KL23L23）的俄歇峰，由此确定样品含有O元素。在图谱中扣除本底，读取峰X=101.5eV，查表得知与元素Si（2P）的结合能99eV接近；又在X=153.5eV处找到了另一个峰，与元素Si（2S1/2）的结合能152eV接近，由此确定样品含有Si元素。以上结果均在图5中标出。2、窄程扫描确定元素化学状态在C、O、Si最强峰附近进行窄程

8、扫描。扣除本底后，精确读