第八章 X射线光电子能谱(XPS)
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1、第八章：X射线光电子谱(XPS)X-ray Photoelectron Spectroscopy第一节、光电子能谱简介1.电子能谱分析法是采用单色光源（如X射线、紫外光）或电子束去照射样品，使样品中电子受到激发而发射出来，然后测量这些电子的产额（强度）对其能量的分布，从中获得有关信息的一类分析方法。电子能谱是固体表面分析的主要方法之一。2.常用的光电子能谱法根据使用的激发光源不同分为以下三种：X射线光电子能谱(X-Ray Photoelectron Spectrometer XPS)紫外光电子能谱(Ultraviolet Photoelectron Spectrometer， UPS)俄歇电子
2、能谱(Auger Electron Spectrometer， AES)3.俄歇电子能谱法(AES)是用具有一定能量的电子束(或X射线)激发样品俄歇效应，通过检测俄歇电子的能量和强度，从而获得有关材料表面化学成分和结构的信息的方法。4. X射线光电子能谱法（XPS），采用能量为10001500eV 的X射线源，能激发内层电子, 使物质光电离、光电子发射，研究其激发过程及其能量关系，各种元素内层电子的结合能是有特征性的，因此可以用来鉴别化学元素。又称为化学分析用电子能谱法（ESCA）。5.紫外光电子能谱(UPS)是以紫外光为激发源致样品光电离而获得的光电子能谱。目前采用的光源为光子能量小于100
3、eV的真空紫外光源(常用He、Ne等气体放电中的共振线)。这个能量范围的光子只能激发样品中原子、分子的外层价电子或固体的价带电子，从而获得相关的价电子和价电子和能带结构的特征能带结构的特征关系。XPSXPS技术发展历史技术发展历史 X射线光电子谱是重要的表面分析技术之一。它不仅能射线光电子谱是重要的表面分析技术之一。它不仅能探测表面的化学组成，而且可以确定各元素的化学状探测表面的化学组成，而且可以确定各元素的化学状态，因此，在化学、材料科学及表面科学中得以广泛态，因此，在化学、材料科学及表面科学中得以广泛地应用。地应用。 X射线光电子能谱是瑞典射线光电子能谱是瑞典Uppsala大学大学K.Si
4、egbahn及及其同事经过近其同事经过近20年的潜心研究而建立的一种分析方法。年的潜心研究而建立的一种分析方法。他们发现了内层电子结合能的位移现象，解决了电子他们发现了内层电子结合能的位移现象，解决了电子能量分析等技术问题，测定了元素周期表中各元素轨能量分析等技术问题，测定了元素周期表中各元素轨道结合能，并成功地应用于许多实际的化学体系。道结合能，并成功地应用于许多实际的化学体系。第二节、光电子能谱原理能量关系可表示：能量关系可表示：rkbEEEhv原子的反冲能量原子的反冲能量EMmra122*忽略忽略 (0.1eV (0.1eV）得）得rEbkEEhv电子结合能电子结合能电子动能电子动能固体
5、能带中充固体能带中充满电子的最高能级满电子的最高能级bkEEhv功函数功函数对孤立原子或分子，对孤立原子或分子，Eb 就是把电子从所在轨道移到真空需就是把电子从所在轨道移到真空需的能量，是以真空能级为能量零点的。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。光电效应光电效应 （Photoelectric ProcessPhotoelectric Process）1电磁波使内层电子激发，并逸出表面成为光电子，测量被激发的电子能量就得到XPS， 不同元素种类、不同元素价态、不同电子层(1s, 2s, 2p等
6、)所产生的XPS不同。2被激发的电子能量可用下式表示： KE = hv - BE - spec式中 hv=入射光子（X射线）能量 BE=电子键能或结合能、电离能KE=电子动能 （Kinetic Energy）spec= 谱学功函数或电子反冲能 （Spectrometer Work Function）谱学功函数极小，可略去， 得到 KE = hv - BE3 元素不同，其特征的电子键能不同。测量电子动能KE ，就得到对应每种元素的一系列BE-光电子能谱，就得到电子键能数据。4 谱峰强度代表含量，谱峰位置的偏移代表价态与环境的变化-化学位移。Ag的光电子能谱图（MgK激发）Core levelsh
7、Valance bandEFEVBinding EnergyKinetic EnergyCharacteristic Photoelectron Core level electrons are ejected by the x-ray radiation The K.E. of the emitted electrons is dependent on: Incident energy Instrument work function Element binding energy第三节、第三节、X X射线光电子谱仪射线光电子谱仪XPS仪器结构原理图XPS仪器外观1.XPS激发源 X射线源：是
