文档介绍：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Uppsala20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，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。
1、光电效应
当一束能量为hν的单色光与原子发生相互作用，而入射光量子的能量大于原子某一能级电子的结合能时，发生电离：
M + hν= M*+ + e-
光电效应过程同时满足能量守恒和动量守恒，入射光子和光电子的动量之间的差额是由原子的反冲来补偿的。
光电效应的几率随着电子同原子核结合的加紧而很快的增加，所以只要光子的能量足够大，被激发的总是内层电子。外层电子的光电效应几率就会很小，特别是价带，对于入射光来说几乎是“透明”的。
光电子发射示意图
光电子动能:
Ek= hμ- Eb-Φsp
（ Φsp是功函数）
光电效应截面s衡量原子中各能级发射光电子的几率
s为某能级的电子对入射光子有效能量转换面积，也可表示为一定能量的光子与原子作用时从某个能级激发出一个电子的几率。
s与电子所在壳层的平均半径r、入射光子频率n和原子序数Z等因素有关。在入射光子能量一定的条件下，同一原子中半径越小的壳层s越大；电子结合能与入射光子能量越接近s越大。对不同原子同一壳层的电子，原子序数越大，光电效应截面s越大。
光电效应截面s与原子序数Z的关系
Z
3
4
5
6
7
8
9
11
12
元素
Li
Be
B
C
N
O
F
Na
Mg
s
11
22
40
64
100
195
266
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——轨道劈裂