X射線光電子能譜分析PPT

1、1,X射線光電子能譜分析（XPS）X-ray Photoelectron Spectroscopy,匯報人：張亞娜 組員：高悅 青格樂 曲慧慧,2,主 要 內(nèi) 容,一、XPS的發(fā)展 二、XPS的基本原理 三、光電子能譜儀實驗技術(shù) 四、X射線光電子能譜的應(yīng)用,3,X射線是由德國物理學家倫琴（Wilhelm Conrad Rntgen，l845-1923）于1895年發(fā)現(xiàn)的，他由此獲得了1901年首屆諾貝爾物理學獎。 XPS現(xiàn)象基于愛因斯坦于1905年揭示的光電效應(yīng)，愛因斯坦由于這方面的工作被授予1921年諾貝爾物理學獎； XPS是由瑞典Uppsala大學的K.Siegbahn及其同事歷經(jīng)近20年

2、的潛心研究于60年代中期研制開發(fā)出的一種新型表面分析儀器和方法。鑒于K.Siegbahn教授對發(fā)展XPS領(lǐng)域做出的重大貢獻，他被授予1981年諾貝爾物理學獎。,一、XPS的發(fā)展,4,X射線光電子能譜（ XPS ，全稱為X-ray Photoelectron Spectroscopy）是一種基于光電效應(yīng)的電子能譜，它是利用X射線光子激發(fā)出物質(zhì)表面原子的內(nèi)層電子，通過對這些電子進行能量分析而獲得的一種能譜。 這種能譜最初是被用來進行化學分析，因此它還有一個名稱，即化學分析電子能譜（ ESCA，全稱為Electron Spectroscopy for Chemical Analysis）,5,光電效

3、應(yīng) 具有足夠能量的入射光子(h) 同樣品相互作用時，光子把它的全部能量轉(zhuǎn)移給原子、分子或固體的某一束縛電子，使之電離 。,6,X射線起源于軔致輻射，可被認為是光電效應(yīng)的逆過程，即： 電子損失動能 產(chǎn)生光子(X射線),二、XPS的基本原理,7,電子能譜法：光致電離 A + h A+* + e,單色X射線也可激發(fā)多種核內(nèi)電子或不同能級上的電子，產(chǎn)生由一系列峰組成的電子能譜圖，每個峰對應(yīng)于一個原子能級（s、p、d、f）,8,光子的一部分能量用來克服軌道電子結(jié)合能( EB)，余下的能量便成為發(fā)射光電子(e - ) 所具有的動能 ( EK)，這就是光電效應(yīng)。用公式表示為： Ek = h- EB Ws 結(jié)

4、合能( EB)：電子克服原子核束縛和周圍電子的作 用，到達費米能級所需要的能量。,因為原子的質(zhì)量至少是電子質(zhì)量的 2000 倍，我們可以把反沖原子的能量忽略不計。,9,1、XPS譜圖分析中原子能級的表示方法 XPS譜圖分析中原子能級的表示用兩個數(shù)字和一個小字母表示。例如:3d5/2 第一個數(shù)字3代表主量子數(shù)(n) , 小寫字母代表角量子數(shù) ; 右下角的分數(shù)代表內(nèi)量子數(shù) j l為角量子數(shù)，l = 0, 1, 2, 3 ,10,注意: 在XPS譜圖中自旋軌道偶合作用的結(jié)果，使l不等于0（非s軌道）的電子在XPS譜圖上出現(xiàn)雙峰，而S軌道上的電子沒有發(fā)生能級分裂，所以在XPS譜圖中只有一個峰。,11,

5、2、化學位移 1. 定義 由于化合物結(jié)構(gòu)的變化和元素氧化狀態(tài)的變化引起譜峰有規(guī)律的位移稱為化學位移 2. 化學位移現(xiàn)象起因及規(guī)律 （1）原因 內(nèi)層電子一方面受到原子核強烈的庫侖作用而具有一定的結(jié)合能，另一方面又受到外層電子的屏蔽作用。因而元素的價態(tài)改變或周圍元素的電負性改變，則內(nèi)層電子的結(jié)合能改變。,12,例：三氟乙酸乙酯 4個碳元素所處化學環(huán)境不同，與元素電負性的關(guān)系 電負性：FOCH,（2）規(guī)律 當元素的價態(tài)增加，電子受原子核的庫倫作用增加，結(jié)合能增加；當外層電子密度減少時，屏蔽作用將減弱，內(nèi)層電子的結(jié)合能增加；反之則結(jié)合能將減少。,13,三、光電子能譜儀實驗技術(shù),光電子能譜儀的結(jié)構(gòu) 電子

6、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。,14,電子能譜儀通常采用的激發(fā)源有三種：X射線源、真空紫外燈和電子槍。商品譜儀中將這些激發(fā)源組裝在同一個樣品室中，成為一個多種功能的綜合能譜儀。,電子能譜常用激發(fā)源,15,1射線激發(fā)源 XPS中最常用的X射線源主要由燈絲、柵極和陽極靶構(gòu)成，要獲得高分辨譜圖和減少伴峰的干擾，可以采用射線單色器來實現(xiàn)。 X射線源的主要指標是強度和線寬，一般采用K線，因為它是X射線發(fā)射譜中強度最大的。在X射線光電子能譜中最重要的兩個X射線源是Mg和Al的特征K射線.,XPS采用能量為10001500ev 的射線源，能激發(fā)內(nèi)層電子。各種元

7、素內(nèi)層電子的結(jié)合能是有特征性的，因此可以用來鑒別化學元素；,16,2. 電子能量分析器 （1）作用：探測樣品發(fā)射出來的不同能量電子的相對強度。它必須在高真空條件下工作，壓力要低于10-5帕，以便盡量減少電子與分析器中殘余氣體分子碰撞的幾率。 （2）類型,17,半球型電子能量分析器 改變兩球面間的電位差，不同能量的電子依次通過分析器，分辨率高；,18,筒鏡式電子能量分析器 同軸圓筒，外筒接負壓、內(nèi)筒接地，兩筒之間形成靜電場； 靈敏度高、分辨率低；,19,3. 檢測器 用電子倍增器檢測電子數(shù)目。電子倍增器是一種采用連續(xù)倍增電極表面的靜電器件，內(nèi)壁具有二次發(fā)射性能。電子進入器件后在通道內(nèi)連續(xù)倍增，增

8、益可達 109,20,1、減少電子在運動過程中同殘留氣體分子發(fā)生碰撞而損失信號強度。,2、降低活性殘余氣體的分壓。因在記錄譜圖所必需的時間內(nèi)，殘留氣體會吸附到樣品表面上，甚至有可能和樣品發(fā)生化學反應(yīng)，從而影響電子從樣品表面上發(fā)射并產(chǎn)生外來干擾譜線。,298K吸附一層氣體分子所需時間10-4Pa時為1秒；10-7Pa時為1000秒,4.真空系統(tǒng),21,氣體,采用差分抽氣的方法把氣體引進樣品室直接進行測定,塊狀：直接夾在或黏在樣品托上。 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。,（1）真空加熱 （2）氬離子刻蝕,氣化,液體,固體,冷凍,5、 樣品的制備,22

9、,6、XPS譜圖的表示 （1）. XPS譜圖的表示 橫坐標：動能或結(jié)合能，單位是eV，一般以結(jié)合能為橫坐標。 縱坐標：相對強度（CPS）。 結(jié)合能為橫坐標的優(yōu)點： 結(jié)合能比動能更能反應(yīng)電子的殼層結(jié)構(gòu)（能級結(jié)構(gòu)） 結(jié)合能與激發(fā)光源的能量無關(guān),23,（2）譜峰、背底或伴峰 譜峰：X射線光電子入射，激發(fā)出的彈性散射的光電子形成的譜峰，譜峰明顯而尖銳。 背底或伴峰：如光電子(從產(chǎn)生處向表面)輸送過程中因非彈性散射(損失能量)而產(chǎn)生的能量損失峰，X射線源的強伴線產(chǎn)生的伴峰，俄歇電子峰等。,24,（3）XPS峰強度的經(jīng)驗規(guī)律 主量子數(shù)小的殼層的峰比主量子數(shù)大的峰強； 同一殼層，角量子數(shù)大者峰強； n和l都相同者，j大者峰強。,25,26,四、X射線光電子能譜的應(yīng)用,1.元素的定性分析?？梢愿鶕?jù)能譜圖中出現(xiàn)的特征譜線的位置鑒定除H、He以外的所有元素。 2.元素的定量分析。根據(jù)能譜圖中光電子譜線強度（光電子峰的面積）反應(yīng)原子的含量或相對濃度。,XPS的特點：在實驗時樣品表面受輻照損傷小，能檢測周期表中除 H 和 He 以外所有的元素，并具有很高的