光电子能谱分析.docx

第五章光电子能谱分析

一、教学目的

理解把握光电子能谱分析的根本原理，把握光电子能谱试验技术，了解光电子能谱仪，了解俄歇电子能谱分析。

二、重点、难点

重点：光电子能谱分析原理、光电子能谱试验技术及应用。难点：光电子能谱分析原理。

三、教学手段多媒体教学四、学时安排4学时

第一节 概述

电子能谱是近十多年才进展起来的一种争论物质外表的性质和状态的型物理方法。这里所谓的外表是指固体最外层的l～10个原子的外表层和吸附在它上面的原子、分子、离子或其他掩盖层，它的深度从小于1到几个nm，或者包括实行剥离技术将外表层沿纵向深度暴露出的外表。用特别的手段对这类外表进展分析已形成一门兴的测试方法，即外表分析法，它在理论上和实际应用上都有广泛的争论领域。外表分析方法在无机非金属材料学科中的应用，例如：争论玻璃外表的刻蚀作用、水泥矿物硅酸钙的水化作用、陶瓷外表和界面、高温超导材料外表的作用等均有重要意义。

一、外表分析可以得到的信息

外表分析是借助于各种外表，对物体10nrn以内的外表层进展分析，可得到的信息有：

物质外表层〔包括吸附层〕的化学成分，除氢元素以外的元素都可以从外表分析法获得定性和定量的结果，而X射线能谱分析一般只能分析到原子序数为11以上的元素〔最好的仪器可以分析原子序数为4的Be元素〕。定量分析也只能到达半定量程度。

物质外表层元素所处的状态或与其他元素间的结合状态和构造，即元素所处的原子状态、价态、分子构造等信息。

外表层物质的状态，如外表层的分子和吸附层分子状态、氧化态、腐蚀状态、

外表反响生成物等。

物质外表层的物理性质，这在一般外表分析中虽不是争论的主要内容，但可以得到与外表的元素、价态、构造等信息的关系。

在做外表分析工作时，不仅在制备样品时要求在高真空和超净条件下进展，而且在测试过程中也要留意仪器中的条件，以防止因污染而引起测试误差。

二、外表分析法的特点

外表分析技术与一般光谱仪不同，它不是争论光与物质的相互作用后所产生的光的特性，而是争论光〔或粒子〕与物质相互作用后被激发出来的二次粒子〔电子、离子〕的能量，以到达所要获得的结果。它是测定物质外表的平均成分，不是体内，也不是微区成分，它测定的是物质受激而发出的价电子或内层电子的能量；与红外光谱相比，红外光谱给出的是分子指纹，或是基团特征，而外表分析则可给出原子指纹，测定原子的价态〔电子构造〕、原子和电子所处的能级，从而可以定出分子构造。

外表分析的另一特点是无损分析，分析的是最表层的元素信息，分析灵敏度极高。三、各种外表及其争论目的

外表分析只是测定物质外表层厚度在10nrn以内的各种信息，所以与粒子逸出的深度严密相关。外表分析法所用的仪器主要有以下几种：

离子探针微区分析〔缩写IMMA〕和X射线微区成分分析〔电子探针〕一样，是测定物质外表微区的化学成分，但是它又与电子探针或能谱分析有差异，主要在于它的激发源是用离子束而不是电子束，测量的是被激发出的离子的质量而不是特征X射线的能量。

紫外光电子能谱〔缩写UPS〕这是用紫外光作放射源，激发元素的价电子，作元素成分分析的电子构造分析。

俄歇电子能谱〔编写AES〕俄歇电子的能量一般在50～2023eV，所以逸出深度很小，仅0.4～2nm。电子的能量和逸出深度与被测样品的材料有关，与激发它的能量无关。

光电子能谱．或X光电子能谱〔XPS〕，又称电子能谱化学分析〔ESCA〕。这是1962年才觉察的。它是用x射线作激发源轰击出样品中元素的内层电子，并直接

测量二次电子的能量，这种能量表现为元素内层电子的结合能E

b

。E随元素而不同，

b

并且有较高的区分力，它不仅可以得到原子的第一电离能，而且可以得到从价电子到K壳层的各级电子电离能，有助于了解离子的几何构型和轨道成健特性，是使用较为广泛的一种外表。

本章主要介绍光电子能谱和俄歇电子能谱的根本原理、试验方法和应用。

表5-1主要外表分析方法综合

图5-1离子、电子、光子〔X射线〕与固体外表相互作用的模式图

其次节光电子能谱的根本原理一、光与物质的相互作用

光电效应

已经知道，当具有肯定能量h?的人射光子与样品中的原子相互作用时，单个光子把全部能量交级原子中某壳层上一个受束缚的电子，这个电子就获得了能量h?。假设h?大于该电子的结合能E。，那么电子就将脱离原来受束缚的能级。假设还有多余的能量

可以使电子抑制功函数?，则电子将从原子中放射出去，成为自由光电子，如图5－2，这个过程表示如下：

h?十A—A*＋e? 〔5－1〕

式中A——中性原子； h?——辐射能量；

A*——处于激发态离子； e?——放射出的光电子。

图5-2 光电效应的