光電子能譜原理及應(yīng)用

1、光電子能譜原理及應(yīng)用第1頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一1、歷史1877年，赫斯（heinrich Rudolf Hertz）發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)1907年，用半球磁場和感光板記錄到不同速度電子1954年，瑞典烏普沙拉（Uppsala）大學(xué)的凱.西格班（Kai M. Siegbahn）領(lǐng)導(dǎo)的研究組得到第一張XPS譜圖第2頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一1969年，凱.西格班和HP合作生產(chǎn)出第一臺XPS儀器1981年，凱.西格班因?qū)PS的貢獻獲諾貝爾獎金1、歷史第3頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一2、XPS應(yīng)用測定材料表面組

2、成測定元素在化合物中的化學(xué)態(tài)第4頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一3、原理3.1 光電效應(yīng)電子擺脫原子核束縛所需要的能量電子脫離樣品后的動能第5頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一原子中的電子變?yōu)檎婵罩械撵o止電子所需要的能量特定原子、特定軌道上的電子的結(jié)合能為定值3、原理3.1 光電效應(yīng)第6頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一3.2 原子內(nèi)層電子的穩(wěn)定性原子上電子分為： 1、價電子；2、內(nèi)層電子 1）內(nèi)層電子的結(jié)合能在一個窄的范圍內(nèi)基本是一個常數(shù)，具有原子的特征性質(zhì)。2）內(nèi)層電子隨著原子化學(xué)環(huán)境的不同，仍有小的可以測量的變化。

3、決定體系化學(xué)反應(yīng)3、原理第7頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一3.3、電子結(jié)合能化學(xué)位移 電子結(jié)合能位移： 原子的一個內(nèi)殼層電子的結(jié)合能受核內(nèi)電荷和核外電荷分布的的影響。任何引起這些電荷分布發(fā)生變化的因素都有可能使原子內(nèi)殼層電子的結(jié)合能產(chǎn)生變化。 化學(xué)位移：由于原子處于不同的化學(xué)環(huán)境(如價態(tài)變化或與電負性不同的原子結(jié)合等)發(fā)生改變，所引起的結(jié)合能位移。 物理位移：由于物理因素(熱效應(yīng)、表面電荷、凝聚態(tài)的固態(tài)效應(yīng)等)而引起的結(jié)合能的位移。3、原理第8頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一3.4、電子自由程 電子自由程為10nm，只有表面上產(chǎn)生的光電子可

4、以溢出。3、原理第9頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一4、X射線光電子能譜儀第10頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一4、X射線光電子能譜儀4.1 結(jié)構(gòu)第11頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一4、X射線光電子能譜儀4.2 X射線源金屬ex hvAl k 1486eV Mg k 1253eV Al、 Mg第12頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一4、X射線光電子能譜儀X射線Mg Al 能量(eV)相對強度能量(eV)相對強度K11253.767.01486.767.0K21253.433.01486.33

5、3.0K1258.21.01492.31.0K31262.19.21496.37.8K41263.15.11498.23.3K51271.00.81506.50.42K61274.20.51510.10.28K1302.02.01557.02.0第13頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一4、X射線光電子能譜儀4.3 UHV室分析室目的： 清潔樣品表面 減少空氣分子與電子的碰撞機械泵擴散泵分子泵升華泵第14頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一4、X射線光電子能譜儀4.4 電子能量分析器R2R1V第15頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，

6、星期一5、XPS儀一般性能5.1 XPS譜圖全掃描光電子數(shù)結(jié)合能第16頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一高分辨掃描5、XPS儀一般性能第17頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一5.2 檢測元素Li（3）U（92） 5、XPS儀一般性能第18頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一X射線光電子能譜(XPS)4、X射線光電子能譜儀第19頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一5.3 測試厚度金屬 0.5-2nm氧化物 2-4nm有機物和聚合物 4-10nm5、XPS儀一般性能第20頁，共85頁，2022年，5月20日

7、，17點36分，星期一5.4 靈敏度檢測限：0.1%1%5、XPS儀一般性能第21頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一6、XPS分析6.1 能量標(biāo)定Al KMg KCu 3pAu 4f7/2Ag 3d5/2Cu L3MMCu 2p3/2Ag M4NN 75.140.02 83.980.02 368.270.02 567.970.02 932.670.021128.790.02 75.130.02 84.000.01 368.290.01 334.950.01 932.670.02 895.760.02第22頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一6.2

8、荷電效應(yīng) 表面電子逸出后，絕緣樣品表面帶正電荷，形成額外電場。使XPS鐠線結(jié)合能偏離正常位置，稱為荷電效應(yīng)。6、XPS分析第23頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一6.2.1 標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)樣：Ag3d5/2 368.2eV Au4f7/2 84.0eV污染炭： C1s 284.8eV離子注入： Ar2p3/2 245.0eV6、XPS分析6.2 荷電效應(yīng)第24頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一6.2.2 電荷補償 低能電子槍 發(fā)射電子，將內(nèi)標(biāo)補償?shù)綐?biāo)準(zhǔn)位置 電子離子槍 可同時發(fā)射電子和離子，將內(nèi)標(biāo)補償?shù)綐?biāo)準(zhǔn)位置6、XPS分析6.2 荷電效應(yīng)第25頁，共

9、85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一6.3 深度分析材料不同深度上元素及鍵合態(tài)的分析采用Ar轟擊的方法剝蝕樣品表面優(yōu)點：可以得到任意深度的信息缺點：樣品化學(xué)態(tài)改變 不同材料刻蝕速度不同 用Ar+不能剝蝕有機材料6.3.1 離子濺射6、XPS分析第26頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一6、XPS分析6.3 深度分析6.3.1 離子濺射第27頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一6.3.2 改變電子逸出角度eX-raylX-raylll6、XPS分析6.3 深度分析第28頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一優(yōu)點：非破

10、壞性，不改變樣品的狀態(tài)缺點：分析深度有限 角度旋轉(zhuǎn)后，分析面積變化6、XPS分析6.3 深度分析6.3.2 改變電子逸出角度第29頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一6.3.3 角分辨XPSX-rayeee6、XPS分析第30頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一6.4 特異峰6.4.1 衛(wèi)星峰（satellite peaks） X射線一般不是單一的特征X射線，而是還存在一些能量略高的小伴線，所以導(dǎo)致XPS中，除K1,2所激發(fā)的主譜外，還有一些小峰。 6、XPS分析第31頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一6、XPS分析6.4.1

11、 衛(wèi)星峰（satellite peaks）第32頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一6.4.2 鬼峰（ghost peaks） 由于X射源的陽極可能不純或被污染，則產(chǎn)生的X射線不純。因非陽極材料X射線所激發(fā)出的光電子譜線被稱為“鬼峰”。6、XPS分析第33頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一6.4.3 能量損失峰 對于某些材料，光電子在離開樣品表面的過程中，可能與表面的其它電子相互作用而損失一定的能量，而在XPS低動能側(cè)出現(xiàn)一些伴峰，即能量損失峰。6、XPS分析第34頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一6、XPS分析6.4.3

12、能量損失峰第35頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一6.5 定量分析 I nfA 式中：I 峰強度 n 每cm2的原子數(shù) f X射線通量（光子cm2s） 光電截面積（cm2） 與X射線和出射光電子的夾角有關(guān)因子 光電產(chǎn)額（光電子光子） A 采樣面積（cm2） T 檢測系數(shù) 光電子的平均自由程（cm）6、XPS分析第36頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一令 S =A 為靈敏度因子 已知Si, 測得I6、XPS分析6.5 定量分析第37頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一7、XPS儀器新進展7.1 單色化XPSX射線不純所造成的不

13、利影響： 1、衛(wèi)星峰 2、分辨率不高 3、譜圖背底高 第38頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一7.1.1 單色化原理7、XPS儀器新進展7.1 單色化XPS第39頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一ABd反射面法線布拉格方程（Bragg equation）7、XPS儀器新進展7.1 單色化XPS第40頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一原子面對X射線的反射并不是任意的，只有當(dāng)、d三者之間滿足布拉格方程時才能發(fā)生反射。7、XPS儀器新進展7.1 單色化XPS第41頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一7.1.

14、2 單色化XPS優(yōu)點X射線的寬度從0.9eV降低到0.25eV,單色化后的XPS的分辨率高出很多，達到0.47eV。能得到更多化合態(tài)信息衛(wèi)星峰、鬼峰消失樣品受到X射線傷害較少。7、XPS儀器新進展7.1 單色化XPS第42頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一7.2 小束斑XPSTorroidal CrystalAnodeElectron Gun7.2.1 原理7、XPS儀器新進展第43頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一 X射線在樣品上的光斑大小與電子打在金屬（陽極）上的光斑大小近似。調(diào)節(jié)電子斑大小即可調(diào)節(jié)X射線光斑大小。聚焦電子束，調(diào)節(jié)電子斑尺寸。

15、7、XPS儀器新進展7.2 小束斑XPS第44頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一7.2.2 特點X射線光斑尺寸20m500 m可調(diào)單色化X射線，XPS分辨率達到0.47eV樣品受到X射線傷害較少。 7、XPS儀器新進展7.2 小束斑XPS第45頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一7.2.3 應(yīng)用特定區(qū)域分析線分布或面分布7、XPS儀器新進展7.2 小束斑XPS第46頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一7、XPS儀器新進展7.2 小束斑XPS第47頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一7、XPS儀器新進展線掃

16、描7.2 小束斑XPS第48頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一7.3 成像 XPS原理用平行成像法進行成像XPS 分析時,光電子進入多通道板,經(jīng)過放大后變成電子脈沖信號,后者打在熒光板上產(chǎn)生光信號,并存儲于相應(yīng)的像元中7、XPS儀器新進展第49頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一7、XPS儀器新進展SiSiO27.3 成像 XPS第50頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一8. XPS應(yīng)用8.1 XPS功能 表面元素化學(xué)態(tài)（鍵合狀態(tài)）的定性、定量分析 表面元素的分布 表面元素分布圖 表面元素組成的定性、定量分析 樣品元素深度分布

17、第51頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一8.2 表面（界面）元素及化合物測定 C1sO1sFe2p金屬鐵8. XPS應(yīng)用Fe3O4第52頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一8. XPS應(yīng)用8.2 表面（界面）元素及化合物測定 涂層第53頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一8. XPS應(yīng)用8.2 表面（界面）元素及化合物測定 涂層第54頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一8. XPS應(yīng)用8.2 表面（界面）元素及化合物測定 第55頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一8. XPS應(yīng)用8.

18、2 表面元素及化合物測定 應(yīng)用于： 材料改性 表面工程 腐蝕與防護 涂層 催化劑組成 微電子和半導(dǎo)體材料表面成份和污染 ￥%#*&*第56頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一8. X射線光譜儀功能8.3 表面元素化學(xué)態(tài)測定 第57頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一8. X射線光譜儀功能8.3 表面元素化學(xué)態(tài)測定 第58頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一8. XPS應(yīng)用8.3 表面元素化學(xué)態(tài)測定 化學(xué)態(tài)不僅僅是價態(tài)哦第59頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一8. XPS應(yīng)用應(yīng)用于： 催化劑活性成份、組分間

19、相互作用機理、失效機理； 表面反應(yīng)，表面改性； 表面工程 腐蝕與防護 c_#%$,?/_8.3 表面元素化學(xué)態(tài)測定 第60頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一8. XPS應(yīng)用8.4 表面修飾和改性 XPS survey scan spectra: a. pristine MWCNTs, b. oxidized MWCNTs, c. DEA-functionalized MWCNTs d, purified-MWCNTs treated by DEACNT表面修飾第61頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一C1s scan spectra: a. pri

20、stine MWCNTs, b. oxidized MWCNTs, c. DEA-functionalized MWCNTs d, purified-MWCNTs treated by DEA 8. XPS應(yīng)用8.4 表面修飾和改性 第62頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一心臟瓣膜用肝磷酯處理 8. XPS應(yīng)用8.4 表面修飾和改性 第63頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一心臟瓣膜用肝磷酯處理 8. XPS應(yīng)用8.4 表面修飾和改性 第64頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一8. XPS應(yīng)用應(yīng)用于： 生物材料； 填料； 納米器件； c+*_#%$.，第75頁，共85頁，2022年，5月20日，17點36分，星期一8. XPS應(yīng)用8.5 元素及化合物表面分布（覆