光电子能谱原理及应用

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1、─原理及应用X射线光电子能谱（XPS）程斌1、历史1877年，赫斯（heinrichRudolfHertz）发现光电效应1907年，P.D.Inne用半球磁场和感光板记录到不同速度电子1954年，瑞典乌普沙拉（Uppsala）大学的凯.西格班（KaiM.Siegbahn）领导的研究组得到第一张XPS谱图1969年，凯.西格班和HP合作生产出第一台XPS仪器1981年，凯.西格班因对XPS的贡献获诺贝尔奖金1、历史2、XPS应用测定材料表面组成测定元素在化合物中的化学态3、原理3.1光电效应电子摆脱原子核束缚所需要的能量电子脱离样品后的动能原子中

2、的电子变为真空中的静止电子所需要的能量特定原子、特定轨道上的电子的结合能为定值3、原理3.1光电效应3.2原子内层电子的稳定性原子上电子分为：1、价电子；2、内层电子1）内层电子的结合能在一个窄的范围内基本是一个常数，具有原子的特征性质。2）内层电子随着原子化学环境的不同，仍有小的可以测量的变化。决定体系化学反应3、原理3.3、电子结合能化学位移电子结合能位移：原子的一个内壳层电子的结合能受核内电荷和核外电荷分布的的影响。任何引起这些电荷分布发生变化的因素都有可能使原子内壳层电子的结合能产生变化。化学位移：由于原子处于不同的化学环境(如价态变化

3、或与电负性不同的原子结合等)发生改变，所引起的结合能位移。物理位移：由于物理因素(热效应、表面电荷、凝聚态的固态效应等)而引起的结合能的位移。3、原理3.4、电子自由程电子自由程为10nm，只有表面上产生的光电子可以溢出。3、原理4、X射线光电子能谱仪4、X射线光电子能谱仪4.1结构4、X射线光电子能谱仪4.2X射线源金属exhvAlkα1486eVMgkα1253eVAl、Mg4、X射线光电子能谱仪X射线MgAl能量(eV)相对强度能量(eV)相对强度K11253.767.01486.767.0K21253.433.01486.333.0

4、K’1258.21.01492.31.0K31262.19.21496.37.8K41263.15.11498.23.3K51271.00.81506.50.42K61274.20.51510.10.28K1302.02.01557.02.04、X射线光电子能谱仪4.3UHV室－分析室目的：①清洁样品表面②减少空气分子与电子的碰撞机械泵－扩散泵－分子泵－升华泵4、X射线光电子能谱仪4.4电子能量分析器R2R1ΔV5、XPS仪一般性能5.1XPS谱图全扫描光电子数结合能高分辨扫描5、XPS仪一般性能5.2检测元素Li（3）～U（92）

5、5、XPS仪一般性能X射线光电子能谱(XPS)4、X射线光电子能谱仪5.3测试厚度金属0.5-2nm氧化物2-4nm有机物和聚合物4-10nm5、XPS仪一般性能5.4灵敏度检测限：0.1%~1%5、XPS仪一般性能6、XPS分析6.1能量标定AlKMgKCu3pAu4f7/2Ag3d5/2CuL3MMCu2p3/2AgM4NN75.140.0283.980.02368.270.02567.970.02932.670.021128.790.0275.130.0284.000.01368.290.01334.950.019

6、32.670.02895.760.026.2荷电效应表面电子逸出后，绝缘样品表面带正电荷，形成额外电场。使XPS镨线结合能偏离正常位置，称为荷电效应。6、XPS分析6.2.1标定标准样：Ag3d5/2368.2eVAu4f7/284.0eV污染炭：C1s284.8eV离子注入：Ar2p3/2245.0eV6、XPS分析6.2荷电效应6.2.2电荷补偿①低能电子枪发射电子，将内标补偿到标准位置②电子离子枪可同时发射电子和离子，将内标补偿到标准位置6、XPS分析6.2荷电效应6.3深度分析材料不同深度上元素及键合态的分析采用Ar＋轰击的方法剥蚀

7、样品表面优点：可以得到任意深度的信息缺点：①样品化学态改变②不同材料刻蚀速度不同③用Ar+不能剥蚀有机材料6.3.1离子溅射6、XPS分析6、XPS分析6.3深度分析6.3.1离子溅射6.3.2改变电子逸出角度eX-raylX-rayθθll’l6、XPS分析6.3深度分析优点：非破坏性，不改变样品的状态缺点：①分析深度有限②角度旋转后，分析面积变化6、XPS分析6.3深度分析6.3.2改变电子逸出角度6.3.3角分辨XPSX-rayeee6、XPS分析6.4特异峰6.4.1卫星峰（satellitepeaks）X射线一般不是单一的特征X射线，

8、而是还存在一些能量略高的小伴线，所以导致XPS中，除K1,2所激发的主谱外，还有一些小峰。6、XPS分析6、XPS分析6.4.1卫星峰（satell