文档介绍：§ X射线光电子谱(XPS)X-ray Photoelectron Spectroscopy固体表面分析已发展为一种常用的仪器分析方法,特别是对于固体材料的分析和元素化学价态分析。目前常用的表面分析方法有:X射线光电子能谱(XPS):应用面广泛, 更适合于化学领域的研究;俄歇电子能谱(AES):主要用于物理方面的固体材料;静态二次离子质谱(SIMS) 和离子散射谱(ISS):定量效果较差,在常规表面分析中的应用相对较少。但近年随着飞行时间质谱(TOF-SIMS)的发展,质谱在表面分析上的应用也逐渐增加。引言?X射线光电子能谱(XPS)也被称作化学分析用电子能谱(ESCA)。?。由于在XPS理论和技术上的重大贡献,1981年,Kai Siegbahn获得了诺贝尔物理奖。?三十多年来,XPS已从刚开始主要用来对化学元素的定性分析,发展为表面元素定性、半定量分析及表面元素化学价态分析的重要手段。研究领域不再局限于传统的化学分析,而扩展到现代迅猛发展的材料学科。目前该分析方法在日常表面分析工作中的份额约50%,是一种最主要的表面分析工具。方法原理-光电效应 XPS基于光电离作用,当一束光子辐照到样品表面时,光子可以被样品中某一元素的原子轨道上的电子所吸收,使得该电子脱离原子核的束缚,以一定的动能从原子内部发射出来,变成自由的光电子,而原子本身则变成一个激发态的离子。在光电离过程中,固体物质的结合能可以用下面的方程表示:在光电离过程中,固体物质的结合能可以用下面的方程表示:Ek= hv – Eb - φs式中Ek—出射的光电子的动能,eV;hv— X射线源光子的能量,eV;Eb—特定原子轨道上的结合能,eV;φs—谱仪的功函,eV。对于特定的单色激发源和特定的原子轨道,其光电子的能量是特征的。当固定激发源能量时,其光电子的能量仅与元素的种类和所电离激发的原子轨道有关。因此,我们可以根据光电子的结合能定性分析物质的元素种类。一般采用MgKα和AlKα X射线作为激发源,光子的能量足够促使除氢、氦以外的所有元素发生光电离作用,产生特征光电子。?由于光电子的强度不仅与原子的浓度有关,还与光电子的平均自由程、样品的表面光洁度,元素所处的化学状态,X射线源强度以及仪器的状态有关。因此,XPS技术一般不能给出所分析元素的绝对含量,仅能提供各元素的相对含量。?由于元素的灵敏度因子不仅与元素种类有关,还与元素在物质中的存在状态,仪器的状态有一定的关系,因此不经校准测得的相对含量也会存在很大的误差。?具有很高的表面检测灵敏度,可以达到10-3原子单层,%左右。~ nm,提供的仅是表面上的元素含量,与体相成分会有很大的差别。XPS分析技术的特点?利用化学位移可以分析元素在该物种中的化学价态和存在形式,这是XPS分析的最重要的应用之一。?化学位移:芯能级轨道上电子的结合能在不同的化学环境中不一样,有一些微小的差异。这种结合能上的微小差异就是元素的化学位移,它取决于元素在样品中所处的化学环境。一般,元素获得额外电子时,化学价态为负,该元素的结合能降低;反之,当该元素失去电子时,化学价为正,XPS的结合能增加。仪器结构?X射线光电子能谱仪由进样室、超高真空系统,X射线激发源、离子源、能量分析系统及计算机数据采集和处理系统等组成。?超高真空系统?XPS是一种表面分析技术,如果分析室的真空度很差,在很短的时间内试样的清洁表面就可以被真空中的残余气体分子所覆盖。?光电子的信号和能量都非常弱,如果真空度较差,光电子很容易与真空中的残余气体分子发生碰撞作用而损失能量,最后不能到达检测器。?采用机械泵(10-2Pa)-分子泵(10-8Pa)-溅射离子泵-钛升华泵(10-9Pa)三级真空泵系统,这样可以防止扩散泵油污染清洁的超高真空分析室。