《表面分析技术》光电子能谱分析技术与扫描俄歇电子能谱.pptx

;课程提纲;【目的】

掌握X射线光电子能谱（XPS）和俄歇能谱（AES）表面分析技术的基本原理和基本过程，了解该技术在材料表征中的应用。

【重点和难点】

XPS和AES的基本原理和过程

XPS和AES在材料中的应用，包括元素的定性、定量分析以及化学态分析

【基本要求】

了解并掌握XPS技术和AES技术的基本原理和过程，包括一些常用术语、谱图的构成等

了解XPS和AES表面技术的分析进展，熟悉多功能谱仪的主要构件及各部分的功能和作用

了解XPS和AES在材料中的应用，包括元素的定性、定量分析以及化学态分析，能进行简单的识谱以及简单的化学态变化的解析。

明确掌握XPS和AES技术对样品的要求，包括样品尺寸，清洁度，表面粗糙度以及导电情况等

通过具体应用案列的介绍，能清楚在自己所对应的材料研究领域中如何应用该技术来表征材料的表面性能;Whyareweinterestedinthesurface?;Definitionofasurface;固体表面取样深度

表面分析——10纳米以下；薄膜分析——10纳米以上；

体相分析——100纳米以上;几种常见的表面分析技术;1.历史回顾

1887年,Hertz把X—Ray源用作光子激发源，发现了光电效应，这是XPS技术的起源。

上世纪初出现了用X射线照射固体材料并测量由此引起的电子动能分布的报道，但由于分辨率的不足，未能观测到光电子能谱上的实际光峰。

XPS技术实质性的进展是在上世纪40年代，K.Siegbahn(瑞典物理学家）的实验室内建立起了相关的分析装置。

1954年，实验室从氯化钠碎片中获得了第一张XPS谱图。

1969年起，出现了商品化的XPS谱仪。

1981K.Siegbahn因XPS工作方面的杰出成就获当年诺贝尔物理学奖。;;;;▌费米能级

导体：绝对零度时价带中电子的最大能量。

半导体

绝缘体费米能级通常在价带和导带之间。

▌真空能级

真空空间中某点处的电势。在电子能谱中，该点取在离样品足够远处，使表面不同部分的不同逸出功产生的电场为零或极小。

在XPS仪器中，随着区域位置的变化,真空能级的变化范围可能大于1eV，因而所测电子的能量也会有类似变化。如果参照费米能级，就不会有这个变化。为了方便，在XPS中总是使用费米能级。;结合能Eb的参考基准

Eb=hv-Ek-?

对孤立原子或分子，Eb就是把电子从所在轨道到真空需的能量，是以真空能级为能量零点的。

?对固体样品，必须考虑晶体势场和表面势场对光电子的束缚作用，通常选取费米(Fermi)能级为Eb的参考点。;;ExampleXPSSpectra;二.XPS能谱仪的关键构件

ESCALAB250多功能型光电子能谱仪

;XPSinstrumentation;;■X线激发源与特征X射线

随原子序数和化学环境不同，由离子化原子发射出的光子，它具有特定的能量分布和强度特征，称作特征X射线。

XPS分析技术中，通常由X线源内具有某种能量的电子轰击Al靶或Mg靶，在Al/Mg发生电离的同时,发射出它们的特征X线。未经单色化处理，X线源是非单色化的，有一个能量连续分布并且能量范围较宽的韧致辐射背底，Ka1、2、3、4，Kβ等特征线是位于该背底之上的。

Al/MgKa非单色化X射线源的半高宽或能宽分别是0.85eV和0.7eV。

;非单色化铝X---ray源的能量分布

镁/铝靶中除Ka1,2线外其它线的能量及相对强度;■X射线单射器

为了改善X线激发源的质量，一般采用单色器，除去AlKα3、4，AlKβ以及连续背底等，限定AlKα1、2为X线源的主线。因而线宽变窄，约0.5eV。单色器的设计是在一个罗兰圆的一端放置与该圆曲率半径相等的两块弯曲的石英单晶或者多块组成的单晶阵列。由阳极靶发射的X线源会聚在单晶表面，发生布拉格衍射，由此产生单色化的AlKα1、2X线。;单

色

与

非

单

射

X

线

激

发

源

的

比

较;;;分析器系统;■能量分辨

;Flowof

Electrons

fromEarth;;Theproblemwithanalysinginsulators;Howdoesthechargecompensationsystemwork?;举例：样品荷电修正

取C1s=285.0eV，修正绝缘样品的荷电位移Ec

hv=Eb?+Ek?+?sp+Ec

用Mgka

1253.6=285.0+961.7+4.5+Ec

Ec=2