文档介绍：1
第 10 讲真空状态下生物材料的表面表征
生物材料表面结构和化学性质在很大程度上影响着植入物的生物相容性,所以生物材料
的表面表征是生物材料研究中一个重要的方面。
表面化学可利用高真空方式直接进行研究:
z 化学分析的电子能谱(ESCA)/X-射线光电子能谱(XPS)
z 俄歇尔电子能谱(AES)
z 二次离子质谱(SIMS)
1. XPS/ESCA
基本原理:
¾ X-射线用特征能量轰击样品近表面(-10nm)激发的二次电子
¾ 对光电子能量的分析可进行表面组成的定量测量
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电能分析器
(可变延迟电压)
X-射线源
透镜监测器
光电子键合能是元素和
键合环境的特征反映
化学分析!
键合能=入射 X-射线能量—光电子动能
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元素定量分析
低-分辨率谱图
强度
键合能(eV)
¾ Ii 峰值下的面积∝激发的电子数(和原子数)
¾ 只有近表面区域的电子通过非弹性碰撞“逃出”而不损失能量
¾ 敏感度:依赖于元素。元素在> 原子%的浓度下基本可被检测到(H 和 He 不能被测
到)
¾ 原子分数 Ci 的量化(被测到的元素)
Si 是敏感系数
- f(仪器和原子参数)
- 能用于计算
检测到元素的和
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高分辨率谱图
强度
键合能(eV)
在特定的键合配置情况下,从峰值面积的比率得到从原子激发的光电子比率(Si=常数)
5 个碳举例 PMMA
(a) 最低的 EBC1s
EB≈
(b) 中间的 EBC1s
B≈
E
为什么核心电子 EB 随着价电
子层的配置而变?
(c) 最高的 EBC1s
EB≈
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负电子氧“抢夺”碳价电子
(电子密度高向氧原子)
Ø
碳核心电子紧密趋向原子核
(几乎无正电荷的屏蔽)
Ø
微弱变化到较高的 C1s 键合能
同样,金属不同的氧化状态可被区别
例如:
Fe2p 键能
XPS 信号来自样品表面~10nm
假如样品在该深度范围内存在浓度梯度将会是什么情况?
表面-分离类型吸附类型
多价氧合层
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深度分辨 ESCA/XPS
¾ 不经过非弹性碰撞光电子逃离样品的可能性与它在样品中的深度t反相关。
式中λe(典型的~5-30Å)是电子非弹性平均自由程,它由电子动能和材料决定。
(物理学上,λe=非弹性碰撞之间平均距离)
对于 t=3λe ⇒ P(t)=
95%信号来自 t≤3λe
¾ 通过改变溅射角度(θ),样品的深度可减少,表面灵敏度增加
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θ(度)
¾ 角度的组成变化表示:
- 表面的优先定位
- 表面分离
- 吸附种类(如:碳氢化合物)
- 等等
¾ 定量组成是深度的函数
在元素 i 第 j 个峰值下的面积是全部样品深度 z 衰减组成的积分
Cinst= 仪器常数
T(Ekin)= 传输函数分析仪
Lij= 元素 i 的轨函数 j 的角度非对称因素
σij= 横截面的光致电离
ni(Z)是深度 z 的原子 i 的浓度(原子数/体积)
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对于均相组成的半限定样品:
式中 Iij,0=CinstT(Ekin)Lijσij
元素(或一定键合配置的原子)的相对浓度可从 Iij(峰面积)的比率得到:
Lij 由电子层决定(举例:1s 或 2p);可从表中查得;当从同一轨道中取得峰比率时
z
取消。如:Ic1s/Io1s
z Cinst 和 T(Ekin)对