武汉大学仪器分析讲义教案07.ppt

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1、第7章表面分析方法7.1.概论在仪器分析中，把物体与真空或气体间的界面称为表面，通常研究的是固体表面；当分析区域的横向线度小于100μm量级时称为微区。表面是固体的终端，表面原子有部分化学键伸向空间，具有很活跃的化学性质。表面的化学组成、原子排列、电子状态等往往和体相不同，并将决定表面的化学反应活性、耐腐蚀性、粘性、湿润性、摩擦性及分子识别特性等。表面包括微区分析，涉及微电子器件、催化、材料及高新技术等众多领域。本章介绍表面及微区分析及表征的方法和技术。7.1.概论表面分析是指对表面及微区的特性和表面现象进行分析、测量的方法和技术，包括表面组成、结构、电子态和形貌等。表面分析与

2、表征涉及的内容很多，没有一种单独的方法能提供所有这些信息。表面分析按表征技术分为4类：电子束激发、光子激发、离子轰击、近场显微镜法。按用途划分：组分分析、结构分析、原子态分析、电子态分析等。7.2.光电子能谱法光电子能谱法是指采用单色光或电子束照射试样，使电子受到激发而发射，通过测量这些电子的（相对）强度与能量分布的关系，从中获得有关信息。用X射线作激发源的称X射线光电子能谱(XPS)、用紫外光作激发源的称紫外光电子能谱(UPS)、测量俄歇电子能量分布的称俄歇电子能谱(AES)。有的教材将前两者称为光子探针技术，而将AES称为电子探针技术。物质受光作用释放出电子的现象称为光电效

3、应。光电离作用：光子的能量：7.2.1.光电子能谱法基本原理电子能谱法所能研究的信息深度d取决于逸出电子的非弹性碰撞平均自由程λ。所谓平均自由程(电子逸出深度)是指电子在经受非弹性碰撞前所经历的平均距离。电子平均自由程λ与其动能大小和样品性质有关，金属中为0.5～2nm，氧化物中为1.5～4nm，有机和高分子化合物中为4～10nm。一般认为d=3λ。电子能谱的取样深度一般很浅，在30nm以内，是一种表面分析技术。7.2.1.光电子能谱法基本原理瑞典Uppsala大学SiegbahnKM(1981年诺贝尔物理学奖获得者)及其同事建立的一种分析方法。理论依据是Einstein的光电

4、子发射公式（光电效应），实际分析中，不仅用XPS测定轨道电子结合能，还经常用量子化学方法进行计算，并将两者进行比较。由于各种原子、分子的轨道电子结合能是一定的，XPS可用来测定固体表面的电子结构和表面组分的化学成分，因此，XPS又称为化学分析光电子能谱法（ElectronSpectroscopyforChemicalAnalysis，ESCA）。7.2.2.X射线光电子能谱法7.2.2.1.电子结合能电子结合能是指一个原子在光电离前后的能量差，即原子终态(2)与始态(1)之间的能量差：Eb=E(2)-E(1)气体试样可以视为自由原子或分子。固体试样：7.2.2.2.X射线光电子

5、能谱图X射线光电子能谱图是以检测器单位时间内接收到的光电子数(光电子强度)对电子结合能或光电子动能作图。XPS主要是研究原子的内层电子结合能。7.2.2.3.谱峰的物理位移和化学位移由固体的热效应及表面荷电作用等物理因素引起的谱峰位移称为物理位移。由电子所处的化学环境不同而引起的谱峰位移称为化学位移。7.2.3.紫外光电子能谱法7.2.3.1.电离能由于紫外线的能量比X射线能量低，只能激发原子或分子的价电子，因此，它所测定的是价电子的结合能，习惯上称为电离能。7.2.3.2.紫外光电子能谱图紫外光电子能谱图的形状取决于入射光子的能量和电离后离子的状态以及具体的实验条件。7.2.

6、4.俄歇电子能谱法Auger电子能谱法(AES)是用具有一定能量的电子束(或X射线)激发试样，以测量二次电子中的那些与入射电子能量无关，而本身具有确定能量的Auger电子峰为基础的分析方法。7.2.4.1.Auger电子能谱的产生7.2.4.2.Auger电子产额对于K型跃迁，设发射X射线荧光的概率为PKX，发射K系Auger电子的概率为PKA，则K层X射线荧光的产额YKX为：YKX＝PKX/(PKX+PKA)K系Auger电子的产额为YKA=1-YKX7.2.4.3.Auger电子峰的强度Auger电子峰的强度IA主要由电离截面Qi和Auger电子发射概率PA决定：IA∝Qi

7、•PA电离截面与被束缚电子i的能量(Ebi)和入射电子束能量(Ein)有关。一般来说，当Ein≈3Ebi时，Auger电流较大。若Ein