对现代分析技术(XPS)的认识与理解.docx

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1、研究生课程（论文类）试卷2017/2018学年第2学期课程名称：现代分析理论与技术课程代码：论文题目：对现代分析技术（XPS）的认识与理解学生姓名：专业﹑学号：学院：理学院课程（论文）成绩：课程（论文）评分依据（必填）：任课教师签字：日期：年月日对现代分析技术（XPS）的认识与理解在通常的光谱方法中，主要研究光和物质的相互作用后产生的光信息。在电子能谱法中，却采用单色光源（如X射线、紫外光）或电子束去照射样品，使其电子受到激发而发射出来，然后测量这些这些电子的能量关系及其强度的关系，从中获得有关信息。根据激发能源的不同，可以得到不同的电子能谱法。用

2、X射线作为激发源的称X射线光电子能谱法（X-rayphotoctronspectorscopy,XPS）。用紫外光作为激发源的称为紫外光电子能谱法(UVphotoctronspectorscopy,UPS)。若用电子束或X射线作为激发源测量样品激发后产生的俄歇电子，成为俄歇电子能谱法(angerelectronspectroscopy,AES)。近年来，X射线光电子能谱法在化学分析中得到了广泛的应用，因此它又称为化学分析用电子能谱法(electronspectroscopyforchemicalanalysis简称为ESCA)。目前，电子能谱法已在

3、化学、物理、生物等各个领域中得到广泛应用，并逐渐显示出它在表面分析和结构鉴定中的巨大潜力。一、X射线光电子能谱仪(XPS)的诞生XPS技术的理论依据是德国物理学家赫兹(HeinrichRudolfHertz)于1887年发现的光电效应。根据这一效应确立的“光子概念”用于描述光子撞击某个表面时产生的电子发射现象。1905年阿尔伯特·爱因斯坦解释了光电效应。两年后，P．D．Innes用伦琴管、亥姆霍兹线圈、磁场半球(电子能量分析仪)和照像平版做实验来记录宽带发射电子和速度的函数关系，他的实验事实上记录了人类第一条x射线光电子能谱。1954年瑞典物理学家

4、凯·西格巴恩和他在瑞典乌普萨拉大学的研究小组在研发XPS设备中获得了多项重大进展，获得了氯化钠的首条高能量分辨率x射线光电予能谱。几年后，西格巴恩就XPS技术发表了一系列学术成果，使XPS的应用价值被世人所公认。1969年他与美国惠普公司合作制造了世界上首台商业单色x射线光电子能谱仪。1981年西格巴恩获得诺贝尔物理学奖，以表彰他将XPS发展为一个重要表面分析技术所做出的杰出贡献。二、X射线光电子能谱仪(XPS)的原理2.1光电发射过程原子或分子吸收X射线光子，电子被激发出来。光电子动能依赖于光子能量(hν)和电子结合能（即电子离开表面所需能量）。

5、通过测量发射电子的动能，计算电子结合能，确定材料的近表面处元素及其化学态。结合能与许多因素有关，包括：（1）发射电子的元素（2）发射电子的轨道（3）发射电子原子的化学环境。由于光电子发射截面不依赖与原子化学环境，因此XPS为一种定量分析技术。2.2光电子能谱技术为了说明XPS谱，在宽能量范围内扫描了一张氧化钡的全谱。在这张谱上有多个钡和氧的峰以及表面杂质碳峰。用现代XPS能谱仪，这张氧化钡的谱采集约10秒钟。由于氧化钡为绝缘体，在分析期间，在样品上导入一束低能电子控制样品荷电。在谱图中谱峰下方出现了明显的背景，这是由于电子在逃逸样品前发生非弹性散射

6、所致。这种非弹性散射降低了电子的动能和谱峰的强度。定量分析谱之前必须扣除背景。Surveyspectrumfrombariumoxideshowingvariousbariumandoxygenpeaksandacarbonpeak.2.3化学位移能谱中表征样品芯电子结合能的一系列光电子谱峰称为元素的特征峰。因原子所处化学环境不同而引起内壳层电子结合能变化，在谱图上表现为谱峰的位移，称为化学位移。所谓某原子所处化学环境不同有两个方面的含义：一是指与它结合的元素种类和数量不同，二式指原子具有不同的化学价态。如纯金属铝原子Al(零价)，其2p轨道电子结

7、合能为72.7eV；当它与氧化合成Al2O3后，铝为正三价Al+3，这时2p轨道电子结合能为74.7eV，增大了2eV。再如硫随其形式氧化态从-2(Na2S)到+6(Na2SO4)价的价态升高S1s轨道的结合能EB增加近8eV。除化学位移外，由于固体的热效应与表面电荷效应等物理因素也可能引起电子结合能改变，从而导致光电子谱峰位移，称之为物理位移。在应用XPS进行化学分析时，应尽量避免或消除物理位移。三、XPS分析方法1.光电子谱线（1）强度。与元素在表面的浓度和原子灵敏度因子成正比。（2）对称性。金属中的峰不对称性是由金属EF附近小能量电子-空穴激

8、发引起，即价带电子向导带未占据态跃迁。不对称度正比于费米能级附近的电子态密度。l横坐标：电子束缚能或动能，直接反映电子壳层