[材料科学]第五章光电子能谱分析.ppt

概述——表面分析技术 光电子能谱分析的基本原理 光电子能谱仪 光电子能谱测定技术 光电子能谱分析的应用 表面 表面分析技术 表面分析得到的信息 表面分析的意义 表面分析常用于： 材料表面 陶瓷（多晶材料）界面 薄膜材料 纳米材料 X射线光电子能谱分析（X-ray photoelectron spectroscopy, XPS） 俄歇电子能谱分析 (auger electron spectroscopy, AES) 紫外光电子能谱分析(ultraviolet photoelectron spectroscopy, UPS) 二次离子质谱分析(secondary ion mass spectrometry, SIMS) 激光微探针质谱分析(laser microprobe mass spectrometry, LMMS) 电子探针分析(electron microprobe, EM ) 物质表面层的化学成分（除氢元素以外） 物质表面层元素所处的状态 表面层物质的状态 物质表面层的物理性质 光电效应 光电子能谱分析基本原理 化学位移 伴峰和谱峰分裂 光电子能谱分析基本原理 例如： 金属铝Al：在化学上为零价Al0，其2p能级电子结合能为72.4eV； Al2O3：铝为正三价Al3+，2p能级电子结合能为75.3eV，增加了2.9eV， 即化学位移为2.9eV。 光电子能谱仪的结构 激发光源 光电子能量分析器 电子检测器 真空系统 XPS的仪器 Instrumentation for XPS 样品制备 样品处理 测定的注意事项 元素的定性分析 元素的定量分析 固体表面相的研究 化合物结构的鉴定 1.XPS定性分析依据 XPS产生的光电子的结合能仅与元素种类以及所激发的原子轨道有关。特定元素的特定轨道产生的光电子能量是固定的，依据其结合能就可以标定元素； 从理论上，可以分析除H，He以外的所有元素，并且是一次全分析，范围非常广。 2.XPS定性分析方法 元素（及其化学状态）定性分析即以实测光电子谱图与标准谱图相对照，根据元素特征峰位置（及其化学位移）确定样品（固态样品表面）中存在哪些元素（及这些元素存在于何种化合物中）。 标准谱图载于相关手册、资料中。 常用的Perkin-Elmer公司的《X射线光电子谱手册》载有从Li开始的各种元素的标准谱图（以Mg Kα和Al Kα为激发源），标准谱图中有光电子谱峰与俄歇谱峰位置并附有化学位移数据。 2.XPS定性分析方法 分析时首先通过对样品（在整个光电子能量范围）进行全扫描，以确定样品中存在的元素；然后再对所选择的谱峰进行窄扫描，以确定化学状态。 定性分析时，必须注意识别伴峰和杂质、污染峰（如样品被CO2、水分和尘埃等沾污，谱图中出现C，O，Si等的特征峰）。 定性分析时一般利用元素的主峰（该元素最强最尖锐的特征峰），自旋—轨道分裂形成的双峰结构情况有助于识别元素。 XPS定性分析 影响谱峰强度的因素 仪器因素； 光电离过程和光电离截面的影响 样品表面组分分布不均、表面污染 XPS的定量计算 本底扣除；理论模型法；灵敏度因子法 1.玻璃表面的研究 2.水泥熟料中硅酸钙的水化表面 第三节　光电子能谱测定 电子能谱仪原则上可以分析固体、气体和液体样品。 气化 冷冻 气体 液体 固体 采用差分抽气的方法把气体引进样品室直接进行测定 块状：直接夹在或粘在样品托上在样品托上；粉末：可以粘在双面胶带上或压入铟箔（或金属网）内，也可以压成片再固定在样品托上。 （1）真空加热； （2）氩离子刻蚀。 校正或消除样 品的荷电效应 电中和法、内标法和外标法 一、样品制备 1.粉末样品 通常把粉末粘结在双面的导电胶带上即可。其缺点是在真空下粘结剂可能蒸发，污染样品和样品室，从而难获得高真空度，同时粘结剂不能加热处理，也不能冷却。 第二种粉末法是压片法，即把样品粉末均匀地撒在金属网上，然后加压成片。这个方法的优点是不怕污染，可以在加热或冷却条件下进行测试，信号强度高。 第三种是溶剂处理法，把样品溶于易挥发溶剂中，制备成溶液（水也可以作溶剂），把溶液涂在样品台或金属片上，待溶剂蒸发。所用的样品量仅在 μg／cm2以下，只需要使溶液附着均匀即可。需要注意的是，溶剂必须完全蒸发掉，特别是其中含有与样品相同的元素时尤其要注意，否则将引起测量误差。 简单易行 金属网所用的材料不与样品反应。 2.块状样品 可以直接固定在样品托上。 金属样品——点焊法； 金属样品——可用真空性能好的银胶粘在样品托上。 块状样品的表面应当尽可能光滑，这样可以得到强度较高的谱图。 为了获得光滑表面，样品经研磨后，需除去研磨剂，并保持样品表面清洁，防止油渍污染，以消除附加的C、O等元