2019射线光电子能谱课件.ppt

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1、X射线光电子能谱基础知识讲座中国科学院化学研究所刘芬2019.10.21地址　10号楼一层电话　62553516讲座目的X射线光电子能谱能解决什么问题？X射线光电子能谱怎样识别？X射线光电子能谱要注意那些问题？内容１　基本原理及谱的认识２　定性、定量分析和深度分析３　实验时应注意的问题１　基本原理及谱的认识1.1　概述1.2基本原理1.3谱的认识1.4非导电样品的荷电校正1.1　概述X射线光电子能谱(XPS)X-rayPhotoelectronSpectroscopy化学分析电子能谱(ESCA)ElectronSpectroscopyfo

2、rChemicalAnalysis——表面元素化学成分和元素化学态分析的分析技术1.1　概述第一本论著1967年K.Siegbahn等著1980年K.Siegbahn获诺贝尔物理奖商品化仪器七十年代中是一门比较新的谱学优点及特点：⑴固体样品用量小，不需要进行样品前处理，从而避免了引入或丢失元素所造成的误分析⑵表面灵敏度高，一般信息深度10nm⑶分析速度快，可多元素同时测定⑷可以给出原子序数3-92的元素信息，以获得元素成分分析⑸可以给出元素化学态信息，进而可以分析出元素的化学态或官能团⑹样品不受导体、半导体、绝缘体的限制等⑺是非破坏性分析

3、方法。结合离子溅射，可作深度剖析应用范围☼各种复合材料表面分析及界面分析☼各种固体材料表面的成分分析及元素化学态分析☼各种薄膜表面与界面分析☼器件、产品质量分析及剖析☼金属氧化与腐蚀☼各种固体表面化学问题的测定,等等。1.2基本原理用一束具有一定能量的X射线照射固体样品，入射光子同样品相互作用，光子被吸收而将其能量转移给原子的某一壳层上被束缚的电子，此时电子把所得能量的一部分用来克服结合能和功函数，余下的能量作为它的动能而发射出来，成为光电子，这个过程就是光电效应。光电过程示意图外壳层内壳层Ek=h－Eb－e-h1

4、.2基本原理XPS方法的基础是爱因斯坦光电定律，对于自由分子和原子，应有Ek=h－Eb－式中h――入射光子能量（已知值）Ek――光电过程中发射的光电子的动能（测定值）Eb――内壳层束缚电子的结合能（计算值）――谱仪的功函数（已知值）基本概念结合能(BindingEnergy)-----原子能级中电子的结合能,其值等于把电子从所在的能级转移到Fermi能级时所需的能量化学位移(Chemicalshift)-----原子的内壳层电子结合能随原子周围化学环境变化的现象X射线光电子能谱仪的基本构造数据处理系统能量分析器探测器X射线源AlK

5、或MgK超高真空系统优于10-9mbar光电子样品ESCALab220i-XL型光电子能谱仪元素定性分析在能谱图中出现特征谱线.我们可以根据这些谱峰的位置（结合能）来鉴定元素的种类元素化学态分析对同一元素，当化学环境不同时，谱峰出现化学位移X射线光电子能谱谱线强度反映原子的含量或相对浓度。测定谱线强度便可进行定量分析。X射线光电子能谱可分析除氢、氦以外的所有元素，测量深度为几埃到几十埃，对多组分样品，元素的检测限为0.1％（原子分数）。1.3谱的认识1.3.1光电子特征峰s壳层不发生自旋分裂谱图上是单峰p,d,f壳层分裂成两个能级在谱

6、图上出现双峰.两峰的面积比一般为2p1/22p3/2=123d3/23d5/2=234f5/24f7/2=34Ag3d3/2Ag3d5/21.3.2光电子特征峰伴峰振激(Shakeup)(2)振离(Shakeoff)(3)能量损失(Energyloss)(4)X射线伴峰(X-raysatellites)(5)多重分裂(Multipletsplitting)(6)俄歇电子(Augerelectron)1.3.2光电子特征峰伴峰(1)振激谱线(Shakeup)-----是一种与光电离过程同时发生的激发过程.当原子的一个内层电子被X射

7、线光电离而发射时,由于原子的有效电荷的突然变化导致一个外层电子跃迁到激发的束缚态.外层电子的跃迁导致发射光电子动能减小,其结果是在谱图主峰低动能侧出现分立的伴峰,伴峰同主峰之间的能量差等于带有一个内层空穴的离子的基态同它的激发态之间的能量差.1.3.2光电子特征峰伴峰易出现shakeup峰的情况：※具有未充满的d,f轨道的过渡金属化合　　　　物和稀土化合物※具有不饱和侧链,或不饱和骨架的高聚物※某些具有共轭电子体系的化合物1.3.2光电子特征峰伴峰shakeup峰对化学研究提供的有用信息：顺磁反磁性键的共价性和离子性几何构型自旋密

8、度配合物中的电荷转移弛豫现象1.3.2光电子特征峰伴峰(2)振离谱线(Shakeoff)----是一种多重电离过程.当原子的一个内层电子被X射线光电离而发射时,由于原子的有效