文档介绍：X X射线光电子谱射线光电子谱(XPS) (XPS) X-ray Photoelectron Spectroscopy X-ray Photoelectron Spectroscopy 冷永祥西南交通大学材料科学与工程学院引引言言 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。表面几个原子层进行分析表面几个原子层进行分析 X 射线光电子能谱是瑞典 Uppsala 大学及其同事经过近 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。给这种谱仪取名为化学分析电子能谱(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis) ,简称为“ESCA ”,这一称谓仍在分析领域内广泛使用。随着科学技术的发展, XPS 也在不断地完善。目前,已开发出的小面积 X射线光电子能谱,大大提高了 XPS 的空间分辨能力。 XPS ?引言 X光电子能谱分析的基本原理一定能量的 X光照射到样品表面,和待测物质发生作用,可以使待测物质原子中的电子脱离原子成为自由电子。该过程可用下式表示: hn=Ek+Eb+Er ( ) 式中: hn :X光子的能量; Ek :光电子的能量; Eb :电子的结合能; Er:原子的反冲能量。其中 Er很小,可以忽略。对于固体样品,计算结合能的参考点不是选真空中的静止电子,而是选用费米能级,由内层电子跃迁到费米能级消耗的能量为结合能 Eb ,由费米能级进入真空成为自由电子所需的能量为功函数Φ,剩余的能量成为自由电子的动能 Ek ,式(103) 又可表示为: hn=Ek+Eb+ Φ( ) Eb= hn- Ek- Φ( ) 仪器材料的功函数Φ是一个定值,约为 4eV ,入射 X光子能量已知,这样,如果测出电子的动能 Ek ,便可得到固体样品电子的结合能。各种原子,分子的轨道电子结合能是一定的。因此,通过对样品产生的光子能量的测定,就可以了解样品中元素的组成。元素所处的化学环境不同,其结合能会有微小的差别,这种由化学环境不同引起的结合能的微小差别叫化学位移,由化学位移的大小可以确定元素所处的状态。例如某元素失去电子成为离子后,其结合能会增加,如果得到电子成为负离子,则结合能会降低。因此,利用化学位移值可以分析元素的化合价和存在形式。 X光电子能谱法是一种表面分析方法,提供的是样品表面的元素含量与形态,而不是样品整体的成分。其信息深度约为 3-5nm 。如果利用离子作为剥离手段,利用 XPS 作为分析方法,则可以实现对样品的深度分析。固体样品中除氢、氦之外的所有元素都可以进行 XPS 分析。 X-ray Beam X-ray Beam X-ray ration X-ray ration depth ~1 depth ~1 ?? m. m. Electrons can be Electrons can be excited in this entire excited in this entire volume. volume. X-ray excitation area ~1x1 cm X-ray excitation area ~1x1 cm 2 2 . Electrons are . Electrons are emitted from this entire area emitted from this entire area Electrons are extracted only Electrons are extracted only from a narrow solid angle. from a narrow solid angle. 1 1 mm mm 2 210 10 nm nm 一、光电效应一、光电效应? Core levels h? Valance band E FE V Binding Energy ic Energy Characteristic Photoelectron Core level electrons are ejected by the X-ray radiation The . of the emitted electrons is dependent on: ? Incident energy ? Instrumen