光电子能谱分析ppt课件.ppt

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1、第一节概述表面科学的主要发展始于20世纪60年代，它产生的两个最主要的条件是：超高真空技术的发展各种表面灵敏的分析技术不断出现“表面”的概念过去，人们认为固体的表面和体内是完全相同的，以为研究它的整体性质就可以知道它的表面性质，但是，许多实验证明这种看法是错误的；关于“表面”的概念也有一个发展过程，过去将1微米厚度看成“表面”，而现在已把1个或几个原子层厚度称为“表面”，更厚一点则称为“表层”。目前，表面分析方法仅对10个原子层的厚度（小于10nm）范围进行分析。表面分析方法的特点用一束“粒子”作为探针来探测样品表面，探针可以是电子、离子、

2、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。探测粒子发射粒子分析方法名称简称主要用途eX射线光电子谱XPS成份e紫外线光电子谱UPS分子及固体的电子态e同步辐射光电子谱SRPES成份、原子及电子态红外吸收谱IR原子态拉曼散射谱RAMAN原子态表面灵敏扩展X射线吸收谱细致结构SEXAFS结构角分辨光电子谱ARPES原子及电子

3、态、结构I光子诱导脱附PSD原子态e俄歇电子能谱AES成份e－电子－光子I－离子见P273表5-1表中仅列出了探测粒子为电子和光子的常用表面分析方法，此外还有离子、中性粒子、电场、热、声波等各种探测手段。这些方法各有其特点，而没有万能的方法，针对具体情况，我们可以选择其中一种或综合多种方法来分析。X射线光电子能谱XPS俄歇电子能谱AES第二节光电子能谱的基本原理（XPS）X射线光电子能谱法（XPS），因最初以化学领域应用为主要目标，故又称为化学分析用电子能谱法（ESCA）。X-RayPhotoelectronSpectroscopy(XP

4、S)/ElectronSpectroscopyforChemicalAnalysis(ESCA)一、光与物质的相互作用1、光电效应X射线与物质相互作用时，物质吸收了X射线的能量并使原子中内层电子脱离原子成为自由电子，即X光电子，如图5-2。光电子和俄歇电子的产生2、受激原子的驰豫—去激发入射光子与原子相互作用产生光电子，此时原子处于高能激发态，原子存在趋于平衡的倾向，以达到低能量状态，这一过程称为驰豫过程，也称去激发过程。去激发1去激发23、光电子逸出深度光电子在固体内移动，最终逸出固体表面以前所经历的距离，称为光电子逸出深度。取决于电子的

5、能量和电子平均自由程。电子平均自由程：指光电子在固体样品表面不发生非弹性碰撞时逸出的深度。光电子发射可分为三个过程：（1）电子因吸光而激发；（2）释放出的电子向固体表面移动；（3）克服表面势场而射出－脱离固体表面对于气体分子，X射线能量h用于三部分：一部分用于克服电子的结合能Eb，使其激发为自由的光电子；一部分转移至光电子使其具有一定的动能Ek；一部分成为原子的反冲能Er。则h＝Eb＋Ek＋Er二、光电子能谱测量原理随受激原子的原子序数增大而减小，同时受激发源的影响。见P277表5-21、Eb的计算对于固体样品，X射线能量用于：内层电子

6、跃迁到费米能级，即克服该电子的结合能Eb；电子由费米能级进入真空成为静止电子，即克服功函数；自由电子的动能Ek。则h＝Eb＋Ek＋当样品置于仪器中的样品架上时，样品与仪器样品架材料之间将产生接触电势，这是由于二者的功函数不同所致，若>'，则：此电势将加速光电子的运动，使自由电子的动能从Ek增加到Ek'Ek＋＝Ek'＋'h＝Eb＋Ek'＋'Eb＝h－Ek'－'式中'是仪器的功函数，是一定值，约为4eV，h为实验时选用的X射线能量为已知，通过精确测量光电子的动能Ek'，即能计算出Eb。47种元素的电子结合能，见表5-3

7、。各种原子、分子轨道的电子结合能是一定的，据此可鉴别各种原子和分子，即可进行定性分析。光电子能谱的谱线常以被激发电子所在能级来表示，如K层激发出来的电子称为1s光电子，L层激发出来的光电子分别记为2s,2p光电子等。X射线光电子能谱的有效探测深度，对于金属和金属氧化物是0.5～2.5nm,对有机物和聚合材料一般是4～10nm。2、化学位移表5-3中的数据是单个原子时的结合能。实际数据与其有偏差，原因：同种原子中的电子，由于处于不同的化学环境，引起电子结合能的变化，在谱线上造成位移，称为化学位移。化学位移模型----不要求化学位移与元素电负性

8、的关系以C元素为例：单个C原子，C1s的结合能为284eV；CH4，C1s的结合能为290eV；若CH4中的H被卤族元素取代，随元素电负性的增强，C1s的结合能增大；而且随取代数