最新XPS原理及分析教学讲义ppt课件.ppt

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1、XPS原理及分析一、概述X射线光电子谱是重要的表面分析技术之一。它不仅能探测表面的化学组成，而且可以确定各元素的化学状态，因此，在化学、材料科学及表面科学中得以广泛地应用。X射线光电子能谱是瑞典Uppsala大学K.Siegbahn及其同事经过近20年的潜心研究而建立的一种分析方法。他们发现了内层电子结合能的位移现象，解决了电子能量分析等技术问题，测定了元素周期表中各元素轨道结合能，并成功地应用于许多实际的化学体系,K.Siegbahn因此获1981诺贝尔奖。二、X射线光电子能谱分析的基本原理电子能谱分析是一种研究物质表层元素组成与离子状态的表面分析技术，其基本原理是用单色射线照射样品

2、，使样品中原子或分子的电子受激发射，然后测量这些电子的能量分布。通过与已知元素的原子或离子的不同壳层的电子的能量相比较，就可确定未知样品表层中原子或离子的组成和状态。量子数表示电子运动状态主量子数n:电子能量主要（并非完全）取决于n;n电子能量n＝1,2,3,…；通常以K(n=1),L(n=2),M(n=3)…表示相同的n表示相同的电子壳层角量子数l:决定电子云的几何形状；不同的l将电子壳层分成几个亚层，即能级。L与n有关，给定n后，l＝0,1,2，…，(n－1);通常以s(l=0),p(l=1),d(l=2),f(l=3),…表示在给定壳层的能级上，l电子能量略2、原子能

3、级的划分磁量子数ml:决定电子云在空间的伸展方向(取向)；给定l后，ml取+l和-l之间的任何整数，ml＝l,l-1,…,0,-1,…,-l；若l=0，则ml=0；若l=1，则ml=1,0,-1。自旋量子数ms:表示电子绕其自身轴的旋转取向；与上述3个量子数无关。电子的轨道运动和自旋运动间存在电磁相互作用，即：自旋－轨道耦合作用的结果使其能级发生分裂，对l>0的内壳层来说，这种分裂可用内量子数j表示(j＝｜l＋ms｜＝｜l±1/2｜)若l＝0，则j＝1/2；若l＝1，则j＝l±1/2＝3/2或1/2;除s亚壳层不发生自旋分裂外，凡l>0的各亚壳层都将分裂成两个能级XPS出现双峰自旋

4、——轨道劈裂自旋－轨道劈裂l＝0l＝1l＝3l＝23、电子结合能一个自由原子或离子的结合能，等于将此电子从所在的能级转移到无限远处所需的能量。4、XPS信息深度5、化学位移同种原子由于处于不同的化学环境，引起内壳层电子结合能的变化，在谱图上表现为谱线的位移，这种现象称为化学位移。所谓某原子所处化学环境不同，一是指与它结合的元素种类和数量不同，二是指原子具有不同的价态。原子内壳层电子的结合能随原子氧化态的增高而增大；氧化态愈高，化学位移也愈大。三、XPS装置组成：x射线源样品台电子能量分析器电子探测和倍增器数据处理与控制真空系统核心部件：激发源；能量分析器；和电子探测器仪器说明仪器名称：

5、X射线光电子能谱仪产品型号：KratosAXISUltraDLD生产厂家：日本岛津-KRATOS公司x射线源：要求：能量足够激发芯电子层；强度产生足够的光电子通量；线宽（决定XPS峰的半高宽FWHM）尽量窄；Mg、Al源MgKa；AlKaMg/Al双阳极x射线源电子能量分析器：核心部件2种结构：筒镜分析器CMA：点传输率很高，有很高信噪比。XPS为提高分辨率，将2个同轴筒镜串联同心半球分析器CHA：两半球间的电势差产生1/r2的电场，只有选定能量的电子才能到达出口。前面放置一透镜或栅极→电子减速→电子动能可选定在一预设值（通道能量）提高灵敏度半球形电子能量分析器改变ΔV便可选择不同的

6、EK，如果在球形电容器上加一个扫描电压，会对不同能量的电子具有不同的偏转作用，从而把能量不同的电子分离开来。四、xps谱图典型谱图横坐标：电子束缚能(能直接反映电子壳层/能级结构)或动能；eV纵坐标：cps（Countspersecond），相对光电子流强度谱峰直接代表原子轨道的结合能典型谱图Fe的清洁表面典型谱图本征信号不强的XPS谱图中，往往有明显“噪音”不完全是仪器导致可能是信噪比太低，即待测元素含量太少增加扫描次数、延长扫描时间噪音注意：谱图对比时测量参数必须一致。扫描1次扫描3次涂膜玻璃的Si2p谱1、xps光电子线及伴线A、光电子线最强的光电子线常常是谱图中强度最大、峰

7、宽最小、对称性最好的谱峰，称为xps的主线。每一种元素都有自己最强的、具有表征作用的光电子线，它是元素定性分析的主要依据。Ti及TiO2中2p3/2峰的峰位及2p1/2和2p3/2之间的距离B、俄歇线原子中的一个内层电子光致电离射出后，内层留下一空穴，原子处于激发态。激发态离子要向低能转化而发生驰豫；驰豫通过辐射跃迁释放能量。辐射出的的射线波长在x射线区x射线荧光跃迁使另一电子激发成自由电子俄歇电子多以谱线群方式出现俄歇线OKLL、CKLL