XPS,UPS,AES《电子能谱学能谱分析基础讲义》.pdfVIP

I 电子能谱分析基础 一、电子能谱及其主要应用 3 二、表面与表面分析 5 三、电子能谱与表面灵敏性 7 四、应用表面分析与真空技术 10 五、原子能级及其表示 12 六、粒子和物质的相互作用13 1-1 电子能谱(Electron Spectroscopy) 第一章电子能谱分析基础 一、电子能谱及其主要应用 电子能谱是多种表面分析技术集合的总称。电子能谱是通过分析各种冲击粒子(单 能光子、电子、离子、原子等)与原子、分子或固体间碰撞后所发射出的电子的能量来 测定原子或分子中电子结合能的分析技术。电子能谱包括：X射 光电子能谱，俄歇电 子能谱，真空紫外光电子能谱，电子能量损失谱等。 X射 光电子能谱:所用激发源(探针)是单色X射 ，探测从表面出射的光电子的 能量分布。由于X射线的能量较高，所以得到的主要是原子内壳层轨道上电离出来的电 子。瑞典Uppsala大学物理研究所Kai Siegbahn教授及其小组在二十世纪五十和六十年代 逐步发展完善了这种实验技术，首先发现内壳层电子结合能位移现象，并将它成功应用 于化学问题的研究中。X射 光电子能谱不仅能测定表面的组成元素，而且还能给出各 元素的化学状态信息。Kai Siegbahn 由于其在高分辨光电子能谱方面的杰出贡献荣获 1981年的诺贝尔物理奖。 俄歌电子能谱:1923年法国科学家Pierre Auger发现：当X射 或者高能电子打到物 质上以后，能以一种特殊的物理过程(俄歇过程)释放出二次电子——俄歇电子，其能量 只决定于原子中的相关电子能级，而与激发源无关。六十年代末采用微分法和锁相放大 器技术将它发展成为一种实用的分析仪器。到了七十年代，出现了扫描俄歇，性能不断 改善。俄歇电子能谱以其优异的空间分辨能力，成为微区分析的有力工具。主要用于对 金属、合金和半导体等材料表面进行分析。 真空紫外光电子能谱:它以真空紫外光(hv45eV)作为电离源，发射的光电子来自 原子的价壳层。它是由英国伦敦帝国学院David Turner于六十年代首先提出并应用于气 体分子的价电子结构的研究中。真空紫外光电子能谱为研究者们提供了简单直观和广泛 地表征分子和固体电子结构的方法，它比以前由光学光谱所建立的分子轨道理论的实验 基础深刻的多。主要用于研究固体和气体分子的价电子和能带结构以及表面态情况。 电工能量损去遭:一束能量为昂的电子在与样品碰撞当中将部分能量传递给样品原 子或分子，使之激发到费密(Feimi)能级以上的空轨道厚而自身损失了£/能量的电子以 与， 的动能进入检测器而被记录下来。依能量守恒原理：E】=Ep-Ep， 。由能量损失谱可以 得到有关费密能级以上空态密度的信息。而XPS、AES等给出的则是费密能级以下的填 充态密度的信息。 在所有现代表面分析技术中，使用最早、最广泛的、也是最成熟的当推电子能谱。 在各种电子能谱技术中，发展最快，具有较高实用价值的是光电子能谱(XPS, UPS)和 俄歇电子能谱(AES)。 电子能谱(Electron Spectroscopy) X射 光电子能谱(XPS)和俄歇电子能谱(AES)的重要特性: 1、除氢和氢以外所有元素都有分立谱峰； 2、近邻元素的谱 分隔较远，无系统干扰。 如C、N和Si的 1s电子结合能：C-285 eV N -400 eV Si-1840eV C、N和Si的KLL俄歇谱峰：C-264 eV N-380 eV Si-1617eV 3、可观测的化学位移。与氧化态和分子结构相关，与原子电荷相关，与有机分子 中的官能团有关。 4、可定量的技术。测定元素的相对浓度，测定同一元素不同氧化态的相对浓度。 5、表面灵敏技术。采样深度约1〜10nm,信号来自最表面数十个原子单层。 电子能谱探测的对象是从固体表面层射出的，携带着表面层中大量信息(表面结构、 元素组成、化学键