XPS物理和应用ppt

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1、中国科学技术大学天文与应用物理系蔡俊X射线光电子能谱的物理学原理及其在表面分析中的应用主要内容什么是“X射线光电子能谱（XPS）”XPS中涉及的物理学原理如何解读XPSXPS在现代科研工作中的地位及作用1.什么是“X射线光电子能谱”X射线光电子能谱（XPS，全称为X-rayPhotoelectronSpectroscopy）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

2、学分析电子能谱（ESCA，全称为ElectronSpectroscopyforChemicalAnalysis）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。另外，他也被我校化学物理系聘为名誉教授；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射线是由德国物

3、理学家伦琴（WilhelmConradRöntgen，l845-1923）于1895年发现的，他由此获得了1901年首届诺贝尔物理学奖。2.XPS中涉及的物理学原理X射线物理光电效应能量分析超高真空系统集成2.1X射线物理X射线起源于轫致辐射，可被认为是光电效应的逆过程，既：电子损失动能产生光子(X射线)快电子原子核慢电子EK1EK2h光子因为原子的质量至少是电子质量的2000倍，我们可以把反冲原子的能量忽略不计。2.1X射线物理上图：X射线管示意图；下右图：现代商用型X射线源，X射线的出射窗采用

4、很薄的铝箔材料，厚度约为1~2m，它可以阻止X射线源中的散射电子的通过，同时还可滤去相当部分的轫致辐射所形成的X射线本底。Anode1Anode2hAlFoliee-Filament2Filament1KühlungFokusLaborquelleX射线管104~105V+-2.1X射线物理max强度加速电压35000伏钼靶典型的X射线谱表现为在连续谱（白光X射线）上出现迭加的标识峰（特征X射线），其对应的波长表征着靶物质的特性。可以根据靶原子原子结构的量子描述来解释这些特征X射线谱线。靶材不

5、变时，改变加速电压V，则X射线连续谱的max改变，但标识X射线频率却不变；改变靶材时，加速电压V不变，特征X射线谱的峰位将发生改变，但X射线连续谱的max不变。2.1X射线物理Monochromator2.1X射线物理在目前的商业化仪器中，XPS的靶材一般采用Al/Mg双阳极靶，这样可以根据分析需要来进行选择，由Al靶产生的AlK射线光子的能量为1486.6eV，MgK为1253.6eV。另外，还有选用Ti的K射线作为光源，其光子能量为2040eV；作为XPS的激发源，要求其具有光强强、单色

6、性好的特点。X射线的单色性越高，谱仪的能量分辨率也越高，因此，一般说来，高精度XPS系统中会自带一套单色光源，比如，单色AlK源；选择什么样的X射线作为光源取决于具体的分析对象，因此，不存在哪种光源好或不好的问题，实际操作中，经常会为了提高读谱的准确性，连续采用两种或两种以上光源的情况。2.2光电效应LIIILILIIKFolgeprozesseAugerprozessX-rayfluorescenceh2p1/22s2p3/21sprimäresLochinRumpfniveauPhotoele

7、ktron(1s)根据爱因斯坦关系式：如果入射X射线引起了原子A的光化电离，即：按照能量保守原则，有：由于电子的能量可以以其动能形式表达，有：因此：BE为是内层电子的轨道结合能。2.2光电效应对固体中原子而言，BE一般是相对其费米能级，而不是真空能级！在此情况下，一般还需要加上样品从真空能级算起的结合能作为样品的功函数来进行补充！X射线光子通过测定光电子的运动能量而探究物质中的电子状态，而测量光电子的运动能量，主要利用静电场,静磁场及电子的飞行时间等方式。目前，测量运动能量在几千电子伏特以下光电子的主

8、要手段是利用静电场。其中同心半球型能量分析器(CHA)同时装有入射电磁透镜和孔径选择板,可以进行超高能量分解光电子测定,高分解能角度分解测定。电子能量分析器电子倍增器光电子样品2.3能量分析2.3能量分析具有动能为E0(通能PassEnergy)的电子通过半球型能量分析器()202da+D»DRfE0Es能量分辨率=f(E0,R0,接受角,缝宽fs)2.3能量分析Monochromator2.3能量分析2.4超高真空（UHV）2.4.1真空的分类真空