文档介绍：X射线光电子能谱分析
一、固体表面的分析
固体不同于气体、液体,不具有流动性,在一定应力的作用下也不会发生明显的形状改变。固体的表面也与液体表面不同,不存在理想的平滑表面。固体表面厚度定义为5倍于原子或分子的直径:对于原子结构的固体物质,铁、硅,表面约为1 nm;对于分子结构的固体物质,如聚合物,其表面是5倍单体的厚度,约为5~10 nm;实际测样中,有时指1个或几个原子层,有时指厚度达微米级的表层。
大多数固体表面,在组分上或结构上都是和体内不一样的。(1)组分不同。对很多合金,某些元素会在表面富集,称为表面偏析或分凝,掺杂生长的晶体也有这种现象。Cu-Ni合金中,在表面20个原子层中Cu的含量是体内的5倍。表面还可以吸附外界的原子,而这些外来原子与体内不同,不仅能在表面形成吸附层,还可以在表面生成化合物。(2)表面的排列与体内不同。晶体中的原子处于有规律的周期性排列状态,而在表面这种周期突然中断,表面出现重构和驰豫现象。重构指的是表面最外层原子的排列与体内不同。而驰豫指的是表面原子所处的力场与体内原子不同,因此表面原子会发生相对于正常位置的上移或下移,以此来降低体系能量的现象。晶体表面原子周期性的突然中断还会使表面出现各种缺陷,例如台阶、弯折、重位、凸沿等等,而这些缺陷往往是吸附活性点,对催化等非常重要。(3)表面的电子结构与体内原子结构不同。每个原子/离子在体内的都是有规律地排布,从空间上讲是电子处于一种平衡状态,而表面原子从空间分布上至少是缺一个方向的平衡(面、棱、角),电子云的分布也不相同。因此,表面的原子比体内原子活性更大。
由于表面和体内具有上述不同之点,使得表面许多物理、化学性质,如光学、电学、磁学、热学、机械、化学活动性等性质与体内不同。对于表面的这些性质的研究能揭露一些表面现象的本质。例如催化与表面吸附层和表面原子结构的关系等。其他还有表面钝化、活化、腐蚀、脆性、发光等现象,因此对“表面”的研究,不仅是一种基础理论工作,而且其潜在的实际应用价值也很大。
由于被分析的深度和侧向范围是如此浅薄和细微,被检测信号来自极小的采样体积,信息强度十分微弱,重复性差,对分析系统的灵敏度要求也很高。所以,直到六十年代前后,随着超高真空和电子技术的突破,才使表面分析技术迅速发展起来。
用一束“粒子”作为探针来探测样品表面,探针可以是电子、离子、光子、中性粒子、电场、磁场、热或声波,在探针作用下,从样品表面发射或散射粒子或波,它们可以是电子、离子、光子、中性粒子、电场、磁场、热或声波。检测这
些发射粒子的能量、动量、荷质比、束流强度等特征,或波的频率、方向、强度、偏振等情况,就可获得有关表面的信息。本文主要介绍X射线光子作为探针的X射线光电子能谱(X-ray Photoelectron Spectroscopy,XPS)分析方法。
二、X射线光电子能谱
几个基本物理概念
光电效应
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。即:A + hν A+* + e-。只有当光子能量(hν)大于临阈光子能量(hν0)时,即光解离作用发生所需要的最小能量时,光电离作用才发生。其