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材料现代研究方法(XPS) (NXPowerLite)

X射线光电子谱(XPS) X-ray Photoelectron Spectroscopy XPS ? 引言 X射线光电子谱是重要的表面分析技术之一。它不仅能探测表面的化学组成,而且可以确定各元素的化学状态,因此,在化学、材料科学及表面科学中得以广泛地应用。 X射线光电子能谱是瑞典Uppsala大学K.Siegbahn及其同事经过近20年的潜心研究而建立的一种分析方法。他们发现了内层电子结合能的位移现象,解决了电子能量分析等技术问题,测定了元素周期表中各元素轨道结合能,并成功地应用于许多实际的化学体系。 XPS ? 引言 K.Siegbahn给这种谱仪取名为化学分析电子能谱(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis),简称为“ESCA”,这个名词强调在X射线电子能谱中既有光电子峰也包含了俄歇峰,在分析领域内广泛使用。 随着科学技术的发展,XPS也在不断地完善。目前,已开发出的小面积X射线光电子能谱,大大提高了XPS的空间分辨能力。 XPS ? 光电效应 当入射光子的能量hν明显超过原子的芯电子束缚能Eb时,可引起光电子发射。 光电子的动能EK取决于: 入射光子的能量hν 谱仪的功函数Φsp 芯电子束缚能Eb EK= hν- Eb - Φsp XPS ? X射线光电子谱仪 在一般的X射线光电子谱仪中,没有X射线单色器,只是用一很薄(1?2?m)的铝箔窗将样品和激发源分开,以防止X射线源中的散射电子进入样品室,同时可滤去相当部分的轫致辐射所形成的X射线本底。 将X射线用石英晶体的(1010)面沿Bragg反射方向衍射后便可使X射线单色化。X射线的单色性越高,谱仪的能量分辨率也越高。 同步辐射源是十分理想的激发源,具有良好的单色性,且可提供10 eV?10 keV连续可调的偏振光。 典型XPS谱 XPS ? X射线光电子谱仪的能量校准 荷电效应 用XPS测定绝缘体或半导体时,由于光电子的连续发射而得不到足够的电子补充,使得样品表面出现电子“亏损”,这种现象称为“荷电效应”。 荷电效应将使样品出现一稳定的表面电势VS,它对光电子逃离有束缚作用。 XPS ? X射线光电子谱仪的能量校准 荷电效应-中和法 制备超薄样品; 测试时用低能电子束中和试样表面的电荷,使Ec0.1eV,这种方法一方面需要在设备上配置电子中和枪,另一方面荷电效应的消除要靠使用者的经验。 荷电效应 -内标法 在实验条件下,根据试样表面吸附或沉积元素谱线的结合能,测出表面荷电电势,然后确定其它元素的结合能。这种方法的缺点是对溅射处理后的样品不适用。另外,金可能会与某些材料反应,公布的C1s谱线的结合能也有一定的差异。 XPS ? XPS中的化学位移 化学位移 由于原子所处的化学环境不同而引起的内层电子结合能的变化,在谱图上表现为谱峰的位移,这一现象称为化学位移。 化学位移的分析、测定,是XPS分析中的一项主要内容,是判定原子化合态的重要依据。 XPS ? XPS中的化学位移 XPS ? XPS中的化学位移 XPS ? XPS分析方法 定性分析 同AES定性分析一样,XPS分析也是利用已出版的XPS手册。 XPS ??XPS分析方法 化合态识别-光电子峰 XPS ? XPS分析方法 深度剖析 (1) 利用逃逸深度与角度的关系: λ=λmcos θ (2) 利用离子溅射技术 XPS ??XPS分析总结 基本原理:光电效应 基本组成:真空室、X射线源、电子能量分析器 辅助组成:离子枪 主要功能:成分分析、化学态分析 采谱方法:全谱、高分辨率谱 分析方法:定性分析、定量分析 * * ? Core levels h? Valance band EF EV Binding Energy Kinetic Energy Characteristic Photoelectron N7 N6 N5 N4 N3 N2 N1 ?????????????????? ???????????????? ???????????????? ??????????????? ??????????????? ??????????????? ??????????????? 4f7/2 4f5/2 4d5/2 4d3/2 4p3/2 4p1/2 4s1/2 M5 M4 M3 M2 M1 L3 L2 L1 K ???????????????? ??????????????? ??????????????? ??????????????? ??????????????? ??????????????? ??????????????? ??????????????? ??????????????? 3d5

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