材料分析教学课件-x射线光电子能谱分析.ppt

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1、X射线光电子能谱分析X-rayPhotoelectronSpectroscopy主要内容XPS的基本原理光电子能谱仪实验技术X射线光电子能谱的应用1、XPS的基本原理XPS是由瑞典Uppsala大学的K.Siegbahn及其同事历经近20年的潜心研究于60年代中期研制开发出的一种新型表面分析仪器和方法。鉴于K.Siegbahn教授对发展XPS领域做出的重大贡献，他被授予1981年诺贝尔物理学奖。XPS现象基于爱因斯坦于1905年揭示的光电效应，爱因斯坦由于这方面的工作被授予1921年诺贝尔物理学奖；X射线光电子能谱（XPS，全称为X-ray

2、PhotoelectronSpectroscopy）是一种基于光电效应的电子能谱，它是利用X射线光子激发出物质表面原子的内层电子，通过对这些电子进行能量分析而获得的一种能谱。这种能谱最初是被用来进行化学分析，因此它还有一个名称，即化学分析电子能谱（ESCA，全称为ElectronSpectroscopyforChemicalAnalysis）1、XPS的基本原理1.1光电效应光电效应具有足够能量的入射光子(hν)同样品相互作用时，光子把它的全部能量转移给原子、分子或固体的某一束缚电子，使之电离。X射线激发光电子的原理7.1XPS的基本原理电

3、子能谱法：光致电离；A+hA+*+eh紫外(真空)光电子能谱hX射线光电子能谱hAuger电子能谱单色X射线也可激发多种核内电子或不同能级上的电子，产生由一系列峰组成的电子能谱图，每个峰对应于一个原子能级（s、p、d、f）；光子的一部分能量用来克服轨道电子结合能(EB)，余下的能量便成为发射光电子(e-)所具有的动能(EK)，这就是光电效应。用公式表示为：Ek=hν-EB–Ws结合能(EB)：电子克服原子核束缚和周围电子的作用，到达费米能级所需要的能量。费米（Fermi）能级：0K固体能带中充满电子的最高能级；逸出功Ws：固体样品

4、中电子由费米能级跃迁到自由电子能级所需要的能量。电子弛豫:内层电子被电离后,造成原来体系的平衡势场的破坏，使形成的离子处于激发态，余轨道电子结构将重新调整。这种电子结构的重新调整，称为电子弛豫。1.2.光电离几率和XPS的信息深度（1）光电离几率定义光电离几率(光电离截面)：一定能量的光子在与原子作用时，从某个能级激发出一个电子的几率；影响因素与电子壳层平均半径，入射光子能量，原子序数有关；1、XPS的基本原理在入射光子能量一定的前提下，同一原子中半径越小的壳层，越大；电子的结合能与入射光子的能量越接近，越大。越大说明该能级上的电

5、子越容易被光激发，与同原子其它壳层上的电子相比，它的光电子峰的强度越大。1、XPS的基本原理（2）XPS信息深度样品的探测深度通常用电子的逃逸深度度量。电子逃逸深度（Ek）：逸出电子非弹性散射的平均自由程；：金属0.5~3nm；氧化物2~4nm；有机和高分子4~10nm；通常：取样深度d=3；1、XPS的基本原理1.3.XPS的特点在实验时样品表面受辐照损伤小，能检测周期表中除H和He以外所有的元素，并具有很高的绝对灵敏度。1、XPS的基本原理1.4XPS谱图分析中原子能级的表示方法XPS谱图分析中原子能级的表示用两个数字和一个小字母

6、表示。例如:3d5/2第一个数字3代表主量子数(n),小写字母代表角量子数;右下角的分数代表内量子数jl—为角量子数，l=0,1,2,3……,1、XPS的基本原理注意:在XPS谱图中自旋－轨道偶合作用的结果，使l不等于0（非s轨道）的电子在XPS谱图上出现双峰，而S轨道上的电子没有发生能级分裂，所以在XPS谱图中只有一个峰。1.4化学位移1.定义由于化合物结构的变化和元素氧化状态的变化引起谱峰有规律的位移称为化学位移2.化学位移现象起因及规律（1）原因内层电子一方面受到原子核强烈的库仑作用而具有一定的结合能，另一方面又受到外层电子的屏蔽作用

7、。因而元素的价态改变或周围元素的电负性改变，则内层电子的结合能改变。1、XPS的基本原理（2）规律当元素的价态增加，电子受原子核的库伦作用增加，结合能增加；当外层电子密度减少时，屏蔽作用将减弱，内层电子的结合能增加；反之则结合能将减少。与元素电负性的关系三氟乙酸乙酯电负性：F>O>C>H4个碳元素所处化学环境不同；与氧化态关系2、光电子能谱仪实验技术2.1光电子能谱仪的结构电子能谱仪主要由激发源、电子能量分析器、探测电子的监测器和真空系统等几个部分组成。电子能谱仪通常采用的激发源有三种：X射线源、真空紫外灯和电子枪。商品谱仪中将这些激发源组

8、装在同一个样品室中，成为一个多种功能的综合能谱仪。电子能谱常用激发源XPS采用能量为1000~1500ev的射线源，能激发内层电子。各种元素内层电子的结合能是有特征性的，因此可以