XPS材料分析方法.ppt

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1、X射线光电子谱(XPS)(X-rayPhotoelectronSpectroscopy)报告人——陈新娟学号——21201002221.发展概况2.基本原理3.设备结构4.XPS谱分析5.XPS的应用目录1.发展概况19世纪末赫兹就观察到了光电效应，20世纪初爱因斯坦建立了有关光电效应的理论公式直到1954年，瑞典皇家科学院院士，Uppsala大学物理研究所所长，K.Seigbahn教授领导的研究小组创立了世界上第一台光电子能谱仪2．基本原理XPS其基本原理是利用单色X射线照射样品，使样品中原子或者分子的电子受激发射，然后测量这些电子的能量分布。从而确定样品中原子或者离子的组成

2、和状态。(对于特定的单色激发源和特定的原子轨道，其光电子的能量是特征的)2．基本原理2.1光电子的产生光电效应光电发射定律弛豫效应2.2化学位移与元素电负性的关系与原子氧化态的关系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-注：由于需要原子核来保持动量守恒，因此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。光电发射定律hυ=EB+EK即光子的能量转化为电子的动

3、能EK并克服原子核对核外电子的束缚EBEB=hυ-EK光电发射定律1）对气态原子或分子hυ=EBv+EKv2）对固体样品（必须考虑晶体势场和表面势场对光电子的束缚作用以及样品导电特性所引起的附加项）hυ=EBF+EKF+ФSEBF:电子结合能，电子从所在能级移到费米（Fermi）能级所需的能量ФS：逸出功（功函数），固体样品中电子由费米能级跃迁到自由电子能级做需的能量为逸出功。Ek：自由电子动能。弛豫效应电子弛豫：电子从内壳层出射，结果使原来体系中的平衡势场被破坏，形成的离子处于激发态，其余轨道电子结构将作出重新调整。原子轨道半径会发生变化。这种电子结构的重新调整叫电子弛豫。弛

4、豫的结果使离子回到基态，同时释放出弛豫能。由于在时间上弛豫过程大体与光电发射同时进行，所以弛豫加速了光电子的发射，提高了光电子的动能。结果使光电子谱线向低结合能一侧移动。化学位移：同种原子处于不同化学环境而引起的电子结合能的变化，在谱线上造成的位移称为化学位移。化学环境不同有两方面含义：一是指与它结合的元素种类和数量不同；二是指原子具有不同的价态。2.2化学位移化学位移的解释：分子电位--电荷势模型轨道电子的结合能由原子核和分子中的电荷分布确定。原子在与其它原子化合成键时发生了价电子转移，价电子对内层轨道上的电子起屏蔽作用，因此价壳层电荷密度的改变必将对内层轨道电子结合能产生一

5、定的影响。（通常正电荷其结合能高于自由原子的结合能，化学位移为正，反之，得到负电荷，化学位移为负）结合能位移可表示成ΔEBA=ΔEVA+ΔEMAΔEVA表示分子M中A原子本身价电子的变化对化学位移的贡献；ΔEMA则表示分子M中其它原子的价电子对A原子内层电子结合能位移的贡献化学位移与元素电负性的关系用卤族元素X取代CH4中的H，C原子周围的负电荷密度较未取代前有所降低，这时C的1s电子同原子核结合的更紧，因此C1s的结合能会提高元素的电负性大小次序为F>O>C>H分子中某原子的内层电子结合能位移量ΔEBA同和它结合的原子电负性之和有一定的线性关系化学位移与原子氧化态的关系理论上

6、，同一元素随氧化态的增高，内层电子的结合能增加，化学位移增加。但也有特例，如：Co2+的电子结合能位移大于Co3+。3.X射线光电子能谱仪X射线能谱仪的基本组成，最主要部件：激发源、能量分析器、电子探测器5.XPS谱图分析XPS谱图光电子线及伴峰左图是表面被氧化且有部分碳污染的金属铝的典型的图谱是宽能量范围扫描的全谱低结合能端的放大谱O和C两条谱线的存在表明金属铝的表面已被部分氧化并受有机物的污染O的KLL俄歇谱线相邻的肩峰则分别对应于Al2O3中铝的2s和2p轨道的电子XPS谱图XPS全谱它给出的各个元素的各个轨道的结合能是进行定性分析的依据谱图的横坐标是电子的结合能（eV）

7、，纵坐标是光电子线的相对强度（cps）另外，在图谱中还有一些俄歇线。光电子线及伴峰1）光电子线。光电子线是谱图中强度最大、峰宽最小、对称性最好的谱峰，称为XPS的主线。每一种元素都有自己的具有表征作用的光电子线。所以，是元素定性分析的主要依据。光电子线的谱线宽度来自于样品元素本质信号的自然宽度、X射线源的自然线宽、仪器以及样品自身状况的宽化因素等四个方面的贡献。高结合能的光电子线比低结合能的光电子线宽1～4eV；绝缘体比良导体宽0.5eV。光电子线及伴峰2）X射线卫星峰（X-raysatel