X射線光電子能譜儀介紹(精).ppt

報告人：單夢潔成員：單夢潔劉二情魏娟娟楊秋,X射線光電子能譜分析X-rayPhotoelectronSpectroscopy,XPS,X射線光電子能譜分析法是用X射線作入射束，在與樣品表面原子相互作用后，將原子內(nèi)殼層電子激發(fā)電離，通過對結合能的計算并研究其變化規(guī)律來了解被測樣品所含元素及其化學狀態(tài)。這個被入射的特征X射線激發(fā)電離的電子稱為光電子。它不但用于化學元素分析，而且更廣泛地應用于表面科學和材料科學。,主要內(nèi)容,XPS的工作原理設備組成，基本原理，工作流程XPS的使用條件（環(huán)境條件）樣品制備樣品要求，注意事項，制備過程儀器特點及功能主要特點，主要功能數(shù)據(jù)分析應用實例中印度洋海嶺Edmond熱液區(qū)塊狀硫化物中自然金的發(fā)現(xiàn),工作原理,一、設備組成光電子能譜儀主要由激發(fā)源、電子能量分析器、探測電子的監(jiān)測器和真空系統(tǒng)等幾個部分組成。,PHI5800ESCA系統(tǒng),能量分析器,真空泵組,X射線光源,計算機處理,樣品腔,工作原理,可見，當入射X射線能量一定，測出功函數(shù)和電子的動能，即可求出電子的結合能。由于每種元素的電子結構是獨特的，計算出Eb就可以判定元素的類型。由于只有表面處的光電子才能從固體中逸出，因而測得的電子結合能必然反應了表面化學成份的情況。,EK=h-Eb-sp（Eb：電子結合能；sp：譜儀的功函數(shù)，一般為常數(shù)；EK：電子動能，可實驗測得；h：X射線能量，已知）,二、基本原理,由激發(fā)源發(fā)出的具有一定能量的X射線，電子束，紫外光，離子束或中子束作用于樣品表面時，可將樣品表面原子中不同能級的電子激發(fā)出來，產(chǎn)生光電子或俄歇電子等這些自由電子帶有樣品表面信息，并具有特征動能通過能量分析器收集和研究它們的能量分布，經(jīng)檢測紀錄電子信號強度與電子能量的關系曲線即為光電子能譜,光源（X-ray）,樣品,電離放出光電子,能量分析器,檢測器,工作原理,記錄不同能量的電子數(shù)目,掃描和記錄系統(tǒng),三、工作流程,使用條件,基礎設施要求電力:單相200-230V交流電，50A，50/60Hz壓縮空氣:不低于620kPa干氮氣:不高于16kPa環(huán)境要求靜磁場：100T或更低交變磁場：0.3T或更低震動：10m或更低(0.160Hz)的位移溫度：205濕度：70%或更低（無冷凝）散熱：正常使用時3000W烘烤時不高于7000W,樣品制備,樣品要求1.無磁性；無放射性；無毒性；無揮發(fā)性物質(zhì)(如單質(zhì)Na,K,S,P,Zn,Se,As,I,Te,Hg或者有機揮發(fā)物)；2.干燥；3.厚度小于2mm；4.固體薄膜或塊狀固體樣品切割成面積大小為5mm8mm；5.粉末樣品最好壓片(直徑小于8mm)，如無法成形，粉末要研細，且不少于0.1g。注意事項1.樣品分析面確保不受污染，可使用分析純的異丙醇，丙酮，正己烷，或三氯甲烷溶液清洗以達到清潔要求；2.使用玻璃制品或者鋁箔盛放樣品，以免硅樹脂或纖維污染樣品表面；3.制備或處理樣品時使用聚乙烯手套，以免硅樹脂污染樣品表面。,樣品制備制備過程,液體,氣體,固體,冷凍,氣化,塊狀：直接夾或粘在樣品托上粉末：可以粘在雙面膠帶上或壓入銦箔（或金屬網(wǎng)）內(nèi)，也可以壓成片再固定在樣品托上,采用差分抽氣的方法把氣體引進樣品室直接進行測定,校正或消除樣品的荷電效應,鍍金法，電中和法，內(nèi)標法，外標法等,真空加熱，Ar離子刻蝕,除去表面污染物,主要特點,適用于固、液、氣體樣品可以測定除H、He以外的全部元素相鄰元素的同種能級的譜線相隔較遠，相互干擾少，元素定性的標示性強能夠觀測化學位移，進行原子結構分析和化學鍵研究超微表面分析（深度約20）樣品用量少（約10-8g）靈敏度高（可達10-18g）,主要功能,利用結合能進行定性分析利用化學位移進行價態(tài)分析利用強度信息進行定量分析利用表面敏感性進行深度分布分析結合離子槍進行深度分布分析利用小面積或成像XPS可進行元素成像分析,數(shù)據(jù)分析,定性分析首先掃描全譜，由于荷電存在使結合能升高，因此要通過C結合能284.6eV對全譜進行荷電校正，然后對感興趣的元素掃描高分辨譜，將所得結果與標準圖譜對照，由結合能確定元素種類，由化學位移確定元素的化學狀態(tài)，為使結果準確在每一次掃描得結果分別進行荷電校正。XPS譜圖中化學位移的分析一般規(guī)律為：1、原子失去價電子或因與電負性高的原子成鍵而顯正電時，內(nèi)層電子結合能升高。2、原子獲得電子而荷負電時，內(nèi)層電子結合能減小。3、氧化態(tài)越高，結合能越大。4、價層發(fā)生某種變化時，所有內(nèi)層電子化學位移相同。5、對于XPS峰主量子數(shù)n小的殼層比n大的峰強，n相同的角量子數(shù)l大的峰強，n，l相同的j大的峰強。,數(shù)據(jù)分析,定量分析選取最強峰的面積或強度作為定量計算的基礎，多采用靈敏度因子法，因為各元素產(chǎn)生光電子時的含量強度和含量不一定成正比，從而利用靈敏度因子對強度進行修正，其做法為：以峰邊、背景的切線交點為準扣除背景，計算峰面積或峰強，然后分別除以相應元素的靈敏度因子法，就可得到各元素的相對含量，這個相對含量是原子個數(shù)相對含量即摩爾相對含量。XPS圖譜的分峰處理由于在制備過程中外界條件不可能完全均勻一致，因而對于同一元素可能存在不同的化學態(tài)，而各化學態(tài)產(chǎn)生的峰又有可能相互重疊，這樣就對定性、定量分析帶來了不便，因而在進行數(shù)據(jù)分析時需要對可能存在重疊的峰進行分峰處理，目前有很多數(shù)據(jù)處理軟件可以進行分峰運算，其原理都是利用高斯洛淪茲函數(shù)，其中XPSpeak比較常用。,數(shù)據(jù)分析,XPS圖譜解釋步驟1、在XPS譜圖中首先鑒別出C1s、O1s、C（KLL）、O（KLL）的譜峰；2、鑒別各種伴線所引起的伴峰；3、先確定最強或較強的光電子峰（或俄歇電子峰），再鑒定弱的譜線；4、辨認p、d、f自旋雙重線，核對所得結論。,應用實例,確定金礦物類型（利用XPS對礦石中Au的化學狀態(tài)進行定性測試）,圖：熱液硫酸鹽礦石樣品中自然金顆粒的XPS譜圖（Au4f窄掃描）（a）樣品表面經(jīng)Ar離子槍清潔1min；（b）樣品表面經(jīng)Ar離子槍清潔5min（吳仲偉等，2011）,分析結果表明，樣品表面經(jīng)Ar離子束先后清潔1min、5min后，XPS（窄掃描）譜圖中均清晰可見呈雙峰結構的Au4f譜峰（見圖）。以樣品表面污染碳的C1s結合能（284.8eV）為標準進行荷電校正，確定該金礦物所對應的Au4f7/2主峰分別為84.21eV（圖a）和83.99eV（圖b），并呈現(xiàn)Au4f5/2伴峰，2個峰的間距為3.7eV左右。由于Au元素的結合能及其化學位移會隨氧化態(tài)（價態(tài)）增高而增加，與Au0相對比，Au+與Au3+通常會引起較明顯的正位移。根據(jù)XPS數(shù)據(jù)庫可知，單質(zhì)金以Au4f7/2=