电子能谱分析课件.ppt

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1、电子能谱分析第一章X射线光电子能谱第二章俄歇电子能谱固体表面的化学组成和体内不完全相同，甚至完全不同，造成这种差别的原因主要有：★表面原子（或离子）化学键部分断裂（悬挂键），能量状态与体内不同；★外来物在表面的吸附、污染；★表面的氧化、腐蚀和摩擦；★人为加工的表面，如离子注入、钝化和各种涂层。因此，在实际应用中，人们要对材料和器件工作表面的宏观性能做出正确的评价与理解，首先必须对各种条件下表面的化学组成和化学状态进行定性和定量的测定和分析。固体表面状态，包括表面成分、结构、配位、化学键性、能带、电子态等等，对材料的许多物性以及相关的应用和理论都有非常重要的意义。人们早就十分关注固体表面问题，但

2、一直受到实验手段的局限，主要是缺乏在原子水平表征、研究材料成分、结构、状态和性能的直接手段。电子能谱主要用于研究≤2-5nm尺度的表面成分与状态。什么是电子能谱分析法？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。本篇主要介绍X射线光电子能谱法(x-rayPhotoelectronSpectroscopy,XPS)和俄歇电子能谱法(AugerElectronSpectroscopy,AES)第一章X射线光电子能谱X射线光电子能谱法（XPS），因最初以化学领域应用为

3、主要目标，故又称为化学分析用电子能谱法（ESCA）。XPS是由瑞典UppsalaUniversity的物理学家KaiM.Seigbahn带领他的学生及同事于1962年首次建造，并历经20年研究发展起来的。信息的产生是基于能量为h的光子与物质原子中的电子产生非弹性散射的过程。当一个h光子将其能量传递给原子中某一壳层上受束缚电子，且当h大于（能克服）该电子结合能Eb(bindingenergy,BE)，则可将其激发电离为二次电子，并以一定动能EK(kineticenergy,EK)逸出，可见信息产生是基于爱因斯坦光电效应。1.1.1信息产生1.1基本原理入射光子h与原子的某一内层电子产生非

4、弹性散射时，其h能量将消耗于以下几部分：1.1.2信息能量克服结合能Eb逸出功s转换为出射动能EK电子逸出表面时原子产生的反冲能Er可给出以下能量守恒关系：h=Eb+EK+s+Er由上述讨论可见：当M>>m时，只要选择合适光束源，使光子能量h不太大，则可使Er10-1~10-2eV，从而可忽略。从上页表可见，AlK可满足这点，这也是为什么目前x光电子谱仪均采用AlK或MgK软x射线作激发源的原因所在；光电子动能EK是可通过能量分析器测量；只要逸出功s已知，即可通过测量光电子动能EK来求得元素不同内层电子的结合能Eb，Eb是特征的，因此，可以利用作为元素分析不同试样的s是变

5、化的，因此，实际应用很不方便。为方便测试，对逸出功s采用如下方法处理（谱仪逸出功sp代替试样逸出功s：把试样放置在金属试样架上，并与仪器（谱仪）紧密连接和良好接地；由固体物理理论可知，由于试样与仪器同时接地，处于等电位状态，试样和谱仪（壳材料）的费米面拉平；此时，忽略Er，则试样和谱仪壳材两者分别有以下能量关系：谱仪逸出功sp代替试样逸出功s：试样谱仪未连接试样谱仪连接EKEKspEKsp仪器的sp是给定不变的,可通过实测EKsp来求得试样的结合能Eb.EK+s=EKsp+sp1.1.3逸出深度光电子能量与逸出深度取决于信息能量及其非弹性散射平均自由程；逸出深度：光电子在试样中

6、穿行，其强度衰减至1/e时的行程称为衰减长度，即逸出深度。实际上与电子平均自由程λ相等，（当x=λ时，I/I0=1/e）；AlK、MgK等x光可激发的光电子能量范围约在50~1487eV，因此，其逸出深度也很小，只有几个到几十Å（约5~20Å）数量级，是一种表面信息。衰减长度与电子能量的关系Tracy曲线1.1.4信息产生几率与灵敏度电子散射截面随不同壳层而不同，一般规律是：激发几率与电子轨道半径r平方成反比，即1/r2，电子轨道半径愈大，则轨道上电子面密度降低，电子被激发几率就降低，反之亦然；Wagner测定了周期表中所有元素的激发规律，为了比较激发几率相对大小，他将F1s电子激发

7、强度作参比，而把其它元素电子激发强度与F1s强度相比，即Ix/IF1s，并定义此值为激发灵敏度。结果发现：★同一元素的不同壳层电子激发灵敏度不同★同一壳层电子的激发灵敏度随原子序数不同也不同，呈周期性变化例如，Z=1~12的轻元素，1s电子激发灵敏度随Z增加而增大，到Z=12时急剧下降。如果对Z=1~12的轻元素，测其2s电子激发强度，则可发现，2s电子灵敏度比1s低20倍左右。这就是为什么轻元素