X射線光電子能譜XPS原理

1、,X射線光電子能譜（XPS）,主 要 內(nèi) 容：,XPS的基本原理 XPS的系統(tǒng)結構及工作原理 XPS的實驗方法 XPS譜圖的解釋 XPS譜圖的應用實例,XPS的基本原理,XPS的原理是用X射線去輻射樣品，使原子或分子的內(nèi)層電子或價電子受激發(fā)射出來。被光子激發(fā)出來的電子稱為光電子。可以測量光電子的能量。 X射線光子的能量在1000-1500ev之間，不僅可使分子的價電子電離而且也可以把內(nèi)層電子激發(fā)出來，內(nèi)層電子的能級受分子環(huán)境的影響很小。 同一原子的內(nèi)層電子結合能在不同分子中相差很小，故它是特征的。光子入射到固體表面激發(fā)出光電子，利用能量分析器對光電子進行分析的實驗技術稱為光電子能譜。,XPS譜

2、圖的表示 橫坐標：動能或結合能，單位是eV，一般以結合能 為橫坐標。 縱坐標：相對強度（CPS）,做出光電子能譜圖。從而獲得試樣有關信息。X射線光電子能譜因對化學分析最有用，因此被稱為化學分析用電子能譜,XPS的基本原理,二氧化鈦涂層玻璃試樣的XPS譜圖,XPS的基本原理,給定原子的某給定內(nèi)殼層電子的結合能還與該原子的化學結合狀態(tài)及其化學環(huán)境有關，隨著該原子所在分子的不同，該給定內(nèi)殼層電子的光電子峰會有位移，稱為化學位移。 這是由于內(nèi)殼層電子的結合能除主要決定于原子核電荷外，還受周圍價電子的影響。電負性比該原子大的原子趨向于把該原子的價電子拉向近旁，使該原子核同其1s電子結合牢固，從而增加結合

3、能。,與元素電負性的關系 三氟乙酸乙酯 電負性：FOCH 4個碳元素所處化學環(huán)境不同；,處于原子內(nèi)殼層的電子結合能較高，要把它打出來需要能量較高的光子,以鎂或鋁作為陽極材料的X射線源得到的光子能量分別為1253.6電子伏和1486.6電子伏，此范圍內(nèi)的光子能量足以把不太重的原子的1s電子打出來。 周期表上第二周期中原子的1s電子的XPS譜線見圖。結合能值各不相同，而且各元素之間相差很大，容易識別（從鋰的55電子伏增加到氟的694電子伏），因此,通過考查1s的結合能可以鑒定樣品中的化學元素。,XPS特點,XPS作為一種現(xiàn)代分析方法，具有如下特點： （1）可以分析除H和He以外的所有元素，對所有元

4、素的靈敏度具有相同的數(shù)量級。 （2）相鄰元素的同種能級的譜線相隔較遠，相互干擾較少，元素定性的標識性強。 （3）能夠觀測化學位移?；瘜W位移同原子氧化態(tài)、原子電荷和官能團有關?；瘜W位移信息是XPS用作結構分析和化學鍵研究的基礎。 （4）可作定量分析。既可測定元素的相對濃度，又可測定相同元素的不同氧化態(tài)的相對濃度。,X射線光電子能譜儀,X射線光電子能譜儀,光 源(X-ray),過濾窗,樣品室,能量分析器,檢測器,掃描和記錄系統(tǒng),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。,XPS的系統(tǒng)結構,XPS的實驗方法：,樣品的預處理 ：（對固體樣品） 1.溶劑清洗（萃取

5、）或長時間抽真空除表面污染物。 2.氬離子刻蝕除表面污物。注意刻蝕可能會引起表面化學性質的變化（如氧化還原反應）。 3.擦磨、刮剝和研磨。對表理成分相同的樣品可用SiC(600#)砂紙擦磨或小刀刮剝表面污層；對粉末樣品可采用研磨的方法。 4.真空加熱。對于能耐高溫的樣品，可采用高真空下加熱的辦法除去樣品表面吸附物。,樣品的安裝： 一般是把粉末樣品粘在雙面膠帶上或壓入銦箔（或金屬網(wǎng)）內(nèi)，塊狀樣品可直接夾在樣品托上或用導電膠帶粘在樣品托上進行測定。 其它方法： 1.壓片法：對疏松軟散的樣品可用此法。 2.溶解法：將樣品溶解于易揮發(fā)的有機溶劑中，然后將其滴在樣品托上讓其晾干或吹干后再進行測量。 3.

6、研壓法：對不易溶于具有揮發(fā)性有機溶劑的樣品，可將其少量研壓在金箔上，使其成一薄層，再進行測量。,XPS譜圖中伴峰的鑒別：,光電子峰：在XPS中最強（主峰）一般比較對稱且半寬度最窄。 振激和振離峰：振離峰以平滑連續(xù) 譜的形式出現(xiàn)在光電子主峰低動能的 一邊，連續(xù)譜的高動能端有一陡限。 振激峰也是出現(xiàn)在其低能端，比主峰 高幾ev，并且一條光電子峰可能有幾 條振激伴線。（如右圖所示）,XPS譜圖的解釋步驟：,在XPS譜圖中首先鑒別出C、O的譜峰（通常比較明顯）。 鑒別各種伴線所引起的伴峰。 先確定最強或較強的光電子峰，再鑒定弱的譜線。 辨認p、d、f自旋雙重線，核對所得結論。,例1：化學環(huán)境的變化將使一些元素的光電子譜雙峰間的距離發(fā)生變 化，這也是判定化學狀態(tài)的重要依據(jù)之一。,例2：聚偏二氯乙烯降解反應隨時間的變化,例3：鋁箔，Al2p 峰,例4：C1s的結合能在不同的碳物種中有差別。在石墨和碳納米管材料中， 其結合能均為284.6 eV；而在C60材料 中，其結合能為284.75 eV。由于C 1 峰的結合能變化很小，難以從C1s峰 結合能來鑒別這些納米碳材料。C60材 料的震激峰的結構與石墨和碳納米管 材料的有很大的區(qū)別,例5：確定二氧化鈦膜中+4價和+3價的比例。 對不同價態(tài)的譜峰分別積