XPS资料：X射线光电子能谱（XPS）.pptx

X射线光电子能谱（XPS）目录 1.XPS的概述 2.XPS的原理 3.XPS的仪器组成1.XPS的概述1.1表面分析能谱 定义：一种研究物质表层元素组成与离子状态的表面分析技术。 原理：利用单色射线照射样品，使样品中原子或分子中 的电子受激发射，然后测量这些电子的能量分布。电子 单色射线 样品X射线光电子能谱（XPS）紫外光电子能谱（UPS）表面分析能谱同步辐射光电发射能谱（SRPES）1.2 XPS的发展 1905年，爱因斯坦阐明了光电效应； 20世纪50年代，K.Siegbabn研制成功第一台XPS谱仪； 20世纪60年代，用于商业化； 图1 X射线光电子能谱1.3 XPS的介绍XPS元素定性、定量分析测定元素在化合物中存在的价态感受该元素周围环境对内壳层电子影响所产生的化学位移特点 缺点 ①测量表层深度为10nm左右；②研究固体表面；③由于光电子能谱激发源发射的光子束比较弱，样品不易破坏，信息失真比较小；只能对十几mm2的大面积进行分析 ,提供大面积内平均信息 ,而且所用的激发源为非单色化X光, 得到的XPS谱能量分辨不够好。①吴正龙,刘洁.现代X光电子能谱(XPS)分析技术.北京师范大学分析测试中心.现代仪器.2006(1)..发展趋势高灵敏度单色化XPS小面积XPS 成像XPS 2.XPS的原理2.1光电效应 图2 光电效应示意图定义：当一种具有一定能量的光照射到物质上时，入射光子会把能量全部转移给物质中原子的某一个束缚电子，光子湮灭，若该能量足够克服该束缚电子的结合能，剩下的能量作为该电子逃离原子的动能，这种被光子直接激发出来的电子称为光电子，这个过程称为光电效应。原子电子层价电子层内壳层构成化学键，需要用低能的紫外线激发需要用高能的X射线激发 爱因斯坦光电效应定律： h? = EB + EK h?为入射光子的能量； EK为光电过程中电子克服结合能后获得的动能； EB为原子中的电子结合能； 束缚电子结合能就是把电子从所在能级移到不受原子核吸引并处在能量再低的状态时所需要的能量。入射光子的能量分为以下四部分：①克服内壳层电子的结合能，使电子提升到Fermi能级；Eb’②克服环境对电子逸出的阻碍作用，将电子从Fermi能级提升到自由电子能级所需要的能量；WS③根据动量守恒原理，当电子受到冲击时，将带走部分反冲能量Er；④光电子的动能Ek’ 图3 光电过程能量关系 h?=Eb+Ws+Er+Ek’① 因为在样品和谱仪之间有接触电位，当具有Ek’的电子通过具有上述电位差所形成的电场空间时或被加速或被减速。所以光电子在进入谱仪后将具有动能Ek，Ek就是此时实际测量的电子动能。 Ek=Ek’+(Ws-Wsp)② 合并①②得 Ek= h?-Eb-Wsp2.2主峰位移 入射X光不仅会引起内层电子光电离，而且还会伴随着价电子从占有能级激发到空能级，或价电子的电离，从而使内层电子所带的动能Ek相应减少，即主峰位移。消除方法：使入射光能量接近内壳层电子的结合能②高分子分析手册，董炎明 2.2化学位移定义：由于电子所处的化学环境（如价态变化或与电负性不同的原子结合等）发生改变所引起的结合能位移称为化学位移。外层电子云密度小大屏蔽作用减小，原子内层电子 结合能增加屏蔽作用增大，原子内层电子 结合能减小例如：图4 三氟乙酸乙酯中C1s光电子结合能谱图2.3自旋-轨道分裂 自旋-轨道相互作用是一种属于相对论效应的磁相互作用。 产生条件：当在基态的闭壳层分子受光的作用电离后，生成的离子中将有一个未成对电子出现，只有当这个电子的角量子数l0时才会有自旋-轨道间的偶合作用。 作用结果：相应能级裂分，分化为两种不同能量的终态。特点：自旋-轨道分裂间距随着原子序数增加及光致电离的简并轨道越接近内层，其分裂间距越大。应用：在开壳层体系分裂间距随化学态的不同有明显的变化，因此可以利用自旋-轨道分裂间距及光电子峰的峰形来区分不同的化学态。 图5 银的全扫描图2.4定性和定量分析2.4.1定性分析 如果激发源的能量足够高（MgKα 1253.6eV)，就可以得到元素周期表中除H和He 以外的全部内层能级结合能谱图，即使是元素周期表中相邻元素相同能级的电子结合能差别也是很大的，因此可以定性分析确定是哪一种元素。 一般选用2P3/2，3d5/2, 4f7/2作为元素定性分析的主峰2.4.2定量分析依据：峰强度与其含量成正比原子灵敏度因子法：Ix为元素X的峰面积，Sx为元素X相应能级的灵敏度因子，nx 为元素X在样品中的原子个数的百分量，N为样品中总的元素数目 3.XPS的仪器组成 图5 XPS构造示意图3.1 激发源X射线：用一定能量电子轰击用某些物质做成的靶子（阳极），这样在原子内壳层上产生了空穴，内壳层上的空穴当被外层电子以辐射跃迁的