§ 2.3 XPS物理和应用.ppt

主要内容 2. XPS中涉及的物理学原理 3. 如何解读XPS 第 * 页 X射线光电子能谱的物理学 原理及其在表面分析中的应用 什么是“X射线光电子能谱（XPS）” XPS中涉及的物理学原理 如何解读XPS XPS在现代科研工作中的地位及作用 1. 什么是“X射线光电子能谱” X射线光电子能谱（ XPS ，全称为X-ray Photoelectron Spectroscopy）是一种基于光电效应的电子能谱，它是利用X射线光子激发出物质表面原子的内层电子，通过对这些电子进行能量分析而获得的一种能谱。 这种能谱最初是被用来进行化学分析，因此它还有一个名称，即化学分析电子能谱（ ESCA，全称为Electron Spectroscopy for Chemical Analysis） XPS是由瑞典Uppsala大学的K. Siegbahn及其同事历 经近20年的潜心研究于60年代中期研制开发出的一 种新型表面分析仪器和方法。鉴于K. Siegbahn教授 对发展XPS领域做出的重大贡献，他被授予1981年 诺贝尔物理学奖。 XPS现象基于爱因斯坦于1905年揭示的光电效应， 爱因斯坦由于这方面的工作被授予1921年诺贝尔物 理学奖 X射线物理 光电效应 能量分析 超高真空 系统集成 2.1 X射线物理 在目前的商业化仪器中， XPS的靶材一般采用Al/Mg双阳极靶，这样可以根据分析需要来进行选择，由Al靶产生的Al K?射线光子的能量为1486.6 eV，Mg K?为1253.6 eV。另外，还有选用Ti的K?射线作为光源，其光子能量为2040 eV； 作为XPS的激发源，要求其具有光强强、单色性好的特点。X射线的单色性越高，谱仪的能量分辨率也越高，因此，一般说来，高精度XPS系统中会自带一套单色光源，比如，单色Al K?源； 选择什么样的X射线作为光源取决于具体的分析对象，因此，不存在哪种光源好或不好的问题，实际操作中，经常会为了提高读谱的准确性，连续采用两种或两种以上光源的情况。 2.2 光电效应 LIII LI LII K Folgeprozesse Augerprozess X-ray fluorescence h? 2p1/2 2s 2p3/2 1s prim?res Loch in Rumpfniveau Photoelektron (1s) 根据爱因斯坦关系式： 如果入射X 射线引起了原子A的光化电离，即： 按照能量保守原则，有： 由于电子的能量可以以其动能形式表达，有： 因此： BE为是内层电子的轨道结合能。 2.2 光电效应 对固体中原子而言，BE一般是相对其费米能级，而不是真空能级！ 在此情况下，一般还需要加上样品从真空能级算起的结合能作为样品的功函数来进行补充！ X射线光子 通过测定光电子的运动能量而探究物质中的电子状态，而测量光电子的运动能量，主要利用静电场,静磁场及电子的飞行时间等方式。目前，测量运动能量在几千电子伏特以下光电子的主要手段是利用静电场。其中同心半球型能量分析器(CHA)同时装有入射电磁透镜和孔径选择板,可以进行超高能量分解光电子测定,高分解能角度分解测定。 电子能量分析器 电子倍增器 光电子 样品 2.3 能量分析 2.3 能量分析 具有动能为E0 (通能 Pass Energy)的电子通过半球型能量分析器 ( ) 2 0 2 da + D ? D R f E0 E s 能量分辨率 = f(E0, R0, 接受角 ?,缝宽 ?fs) 2.3 能量分析 Monochromator 2.3 能量分析 2.4 超高真空（UHV） 2.4.1 真空的分类 真空不空，即使在UHV条件下，空间中仍分布着大量的气体分子！ 2.4 超高真空（UHV） 2.4.2 真空的获得 利用机械泵，使真空度达到10-2 mbar； 利用涡轮分子泵，使真空度达到10-6 mbar以下； 利用离子泵，达到UHV条件 2.5 XPS系统集成 PHI 5800 ESCA 系统 能量分析器 真空泵组 X射线光源 计算机处理 样品腔 第 * 页