电子能谱学笔记.doc

电子能谱学 电子能谱学的定义 电子能谱学可以定义为利用具有一定能量的粒子（光子，电子，粒子）轰击特定的样品，研究从样品中释放出来的电子或离子的能量分布和空间分布，从而了解样品的基本特征的方法。 入射粒子与样品中的原子发生相互作用，经历各种能量转递的物理效应，最后释放出的电子和粒子具有样品中原子的特征信息。 通过对这些信息的解析，可以获得样品中原子的各种信息如含量，化学价态等 电子能谱学的应用 电子能谱学的应用主要在表面分析和价态分析方面。可以给出表面的化学组成，原子排列，电子状态等信息。 对于XPS和AES还可以对表面元素做出一次全部定性和定量分析，还可以利用其化学位移效应进行元素价态分析；利用离子束的溅射效应可以获得元素沿深度的化学成份分布信息。 此外，利用其高空间分别率，还可以进行微区选点分析，线分布扫描分析以及元素的面分布分析。 这些技术使得电子能谱学在材料科学，物理学，化学，半导体以及环境等方面具有广泛的应用。 X射线光电子谱(XPS)—特点 XPS的主要特点是它能在不太高的真空度下进行表面分析研究，这是其它方法都做不到的。当用电子束激发时，如用AES法，必须使用超高真空，以防止样品上形成碳的沉积物而掩盖被测表面。X射线比较柔和的特性使我们有可能在中等真空程度下对表面观察若干小时而不会影响测试结果。 此外，化学位移效应也是XPS法不同于其它方法的另一特点，即采用直观的化学认识即可解释XPS中的化学位移，相比之下，在AES中解释起来就困难的多。 XPS-光电过程机理 光与物质的相互作用 光电离激发过程 光电离几率 偶极发射和表面发射 光电子谱线的特点及表示 光线与物质的相互作用：1、反射（能量不损失）；2、吸收（能量转化为热能）；3、光电离（转化为电子）M + hV－－》M+ ＋ e一般为单电子过程要光子能量足够，可以激发出所有轨道电子。 光电离过程：X射线光电子能谱基于光电离作用，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 光电离几率：1、对于每一种物质其光电离几率与很多因素有关：如激发光子能量，原子种类，原子状态等。2、在光电子能量阈值附近具有最高的电离截面 光电子谱线的特点及表示：1、光电子谱线与原子结构有关；2、其特点是量子化的；3、标记可用激发跃迁的能级来标记 XPS-结合能原理：1、光电子能谱的结合能原理；2、气态分子的结合能；3、固体物质的结合能；4、净电荷的计算；5、弛豫过程 XPS 结合能 在XPS分析中，由于采用的X射线激发源的能量较高，不仅可以激发出原子价轨道中的价电子，还可以激发出芯能级上的内层轨道电子，其出射光电子的能量仅与入射光子的能量及原子轨道结合能有关。 因此，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。 当固定激发源能量时，其光电子的能量仅与元素的种类和所电离激发的原子轨道有关。因此，我们可以根据光电子的结合能定性分析物质的元素种类。 X射线光电子谱仪 X射线源是用于产生具有一定能量的X射线的装置，在目前的商品仪器中，一般以Al/Mg双阳极X射线源最为常见。 XPS ((X射线光电子谱基本原理 1、X射线光电子谱基本原理：X射线光电子能谱的理论依据就是Einstein的光电子发射公式，在实际的X射线光电子谱分析中，不仅用XPS测定轨道电子结合能，还经常用量子化学方法进行计算，并将二者进行比较。 2、突然近似 体系受激出射光电子后，原稳定的电子结构受到破坏，这时体系处于何种状态、如何求解状态波函数及本征值遇到了很大的理论处理困难。突然近似认为，电离后的体系同电离前相比，除了某一轨道被打出一个电子外，其余轨道电子的运动状态不发生变化而处于某一种“冻结状态”。 按照这个假设前提，Koopmans认为轨道电子的结合能在数值上等于中性体系该轨道自洽单电子波函数的本征值的负值，即 其中：表示用自洽场方法求得的ESCF(n, l, j)轨道电子能量的本征值，n, l, j为轨道的三个量子数。表示EaSCF用Koopmans定理确定的(n, l, j)轨道电子结合能。 Koopmans定理使某轨道电子结合能EB的求取变成计算该轨道电子波函数本征值而与终态无关，使计算简化。 因为忽略了电离后终态的影响，这种方法只适用于闭壳层体系。 结合能参照基准 在用XPS测定内层电子结合能与理论计算结果进行比较时，必须有一共同的结合能参照基准。 对于孤立原子，轨道结合能的定义为把一个电子从轨道移到核势场以外所需的能量，即以“自由电子能级”为基准的。在XPS中称这一基准为“真空能级”，它同理论计算的参照基准是一致的。 对于气态X