电子能谱分析课件第一部分讲义.ppt

光电子能谱和俄歇电子能谱分析;电子能谱;电子能谱的主要类型;一、光电子能谱的基本原理

物体与光相互作用可产生多种信号，光可作为探束对物体进行分析。

光束的特点：

①光子的质量为0，对试样表面的破坏或干扰小

②光子是中性，适合表面分析；

③光不仅能在真空中传播，也能在大气及其他介

质中传播。

光电子能谱就是用X光和紫外光作为探束的分析技术。;入射光与原子的相互作用：

1、光子继续按原来的方式运动，原子也未受

到影响；

2、产生光电效应；

3、康普顿效应；;特征X射线;（一）光电效应

光电效应是一种偶极子的相互作用，即光子的所有能量消耗于结合电子的激发。

在外界光的作用下，固体中的原子吸收光子的能量，使其某一层的电子摆脱其所受束缚，在物体中运动，直到这些电子到达表面，如果能量足够，方向合适，则可溢出物体表面成为光电子。

;（二）光电子强度

光与物质相互作用产生光电子的可能性---光电效应几率，与光电效应截面成正比。

光电效应过程同时满足能量守恒和动量守恒，入射光子和光电子的动量之间的差额由原子的反冲来补偿。故光电效应的几率随电子与原子核结合程度的增强而增大。;只要光子能量足够大，被激发的总是内层电子。如果入射光子的能量大于K壳层或L壳层的电子结合能，那么外层电子的光电效应几率很小，特别是价带，对于入射光来说几乎是“透明”。

当入射光能量比原子K壳层电子的结合能大得多时，光电效应截面σk，;当入射光子的能量与原子K壳层电子的结合能相差不大时，可近似表示为：

;由此可知：

由于光电效应必须由原子的反冲来支持，所以同一原子中轨道半径小的壳层，σ较大。

轨道电子结合能与入射光能量越接近，σ越大。

对于同一壳层，原子序数Z越大的元素，σ越大。;（三）电子的平均自由程λ

从样品表面发射出的光电子，在穿越样品表面时会发生弹性碰撞和非弹性碰撞，电子能谱所研究的信号深度取决于光电子在固体表面不发生非弹性碰撞的逸出深度，也称为电子的平均自由程λ。

;当深度大于λ，逸出的光电子??与样品中的自由电子发生非弹性碰撞，由于其能量损失过大失去了携带元素特征信号的作用，不再代表该元素而成为本底信号。

故取样深度L(=3λ)的大小取决于电子的能量和材料的性能：

金属5－20埃，无机物10－30埃，

有机物30－100埃;（四）光源

常用的光源：单色X光，真空紫外光

紫外光一般只能使价电子成为光子，固体中价电子能级展宽成为能带，光电子能谱是连续的，反映价带中电子占有的能级密度分布。

X射线能量高，不仅可电离价电子，也可电离内层电子，能谱是孤立的峰。;1、X射线源

MgAl的特征Ka-X射线具有较好的自然宽度,

Al是0.9eV,Mg是0.8eV。随着原子序数Z的增大（大于13），K壳的自然宽度增加，Cu（Z=29)为2.5eV。

;2、真空紫外源

真空紫外灯是外壳光电子谱中最重要的辐射源。其中应用最广泛的是He-Ⅰ线，自然宽度仅为几毫伏。;二、光电子能谱的测量原理;;不同元素，EK和Eb不同，元素各支壳层的Eb具有特定值，用能量分析器分析光电子的EK，便可得出Eb，对材料进行表面分析。;（二）结合能参照基准

在用XPS测定内层电子结合能与理论计算结果进行比较时，必须有一共同的结合能参照基准。

①对于孤立原子，轨道结合能的定义为把一个电子从轨道移到核势场以外所需的能量，即以“自由电子能级”为基准的。在XPS中称这一基准为“真空能级”，它同理论计算的参照基准是一致的。即结合能等于自由电子的真空能级与电子所在能级的能量差。;;②对于气态XPS，测定的结合能与计算的结合能是一致，因此，可以直接比较。

③对于导电固体样品，测定的结合能则是以Fermi能级为基准的，因此，同计算结果对比时，应用公式进行换算。

对于非导电样品，参考能级的确定是比困难的。;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。;;功函数;三、X射线光电子能谱(XPS);;K.Siegbahn给这种谱仪取名为化学分析电子能谱(ElectronSpectroscopyforChemicalAnalysis)，简称为“ESCA”，这一称谓仍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。

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