X射线光电子能谱分析（苍松书苑）.ppt

第七章第七章 电子能谱电子能谱 X-X-射射线线光光电电子子能能谱谱仪仪，，是是一一种种表表面面分分析析技技术术，，主主要用来表征材料表面元素及其化学状态要用来表征材料表面元素及其化学状态基本原理基本原理: :使用使用X-X-射线与样品表面相互作用，射线与样品表面相互作用，利用光电效应，激发样品表面发射光电子，利用光电效应，激发样品表面发射光电子，利用能量分析器，测量光电子动能，利用能量分析器，测量光电子动能，根据根据B.E=hv-K.E-W.FB.E=hv-K.E-W.F进而得到激发电子的结合能进而得到激发电子的结合能我们就是为了得到样品的我们就是为了得到样品的结合能结合能！！1课堂上课2课堂上课§§7.1 7.1 电子能谱的基本原理电子能谱的基本原理基本原理就是光电效应基本原理就是光电效应在高于某特定频率的电磁波照射下，物质内部的电在高于某特定频率的电磁波照射下，物质内部的电子会被光子激发出来即光生电子会被光子激发出来即光生电自由原子的光电效应能量关系自由原子的光电效应能量关系对孤立原子或分子，对孤立原子或分子， 就是把就是把电子从所在轨道移到真空需的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能量，是以真空能级为能量零点的。

点的3课堂上课对固体样品，必须考虑晶体势场和表面势场对光电子对固体样品，必须考虑晶体势场和表面势场对光电子的束缚作用，通常选取的束缚作用，通常选取费米费米( (Fermi)能级能级为参考点为参考点0k0k时固体能带中充时固体能带中充满电子的最高能级满电子的最高能级功函数功函数4课堂上课为防止样品上正电荷积累，固体样品必须保持和谱仪的良为防止样品上正电荷积累，固体样品必须保持和谱仪的良好电接触，两者费米能级一致样品与仪器触电电位差好电接触，两者费米能级一致样品与仪器触电电位差仪器功函数仪器功函数功函数功函数实际测到的电子动能为：实际测到的电子动能为：5课堂上课核外电子的运动状态核外电子的运动状态电子在原子中的运动状态，可n，，L，，m，，ms四个量子数来描述一）主量子数n主量子数n决定电子层数电子层数的对单电子原子来说，n值愈大，电子值愈大，电子的能量愈高的能量愈高二）角量子数（副量子数）物理意义是表示原子轨道的形状另一个物理意义是表示同一电子层中具有不同状态的亚层当主量子数主量子数n给定时，给定时，L可取值为可取值为0，，1，，2，，3…（（n-1））在每一个主量子数n中，有n个副量子数，其最大值为n-1。

按光谱学上的习惯l用s，，p，，d，，f等符号表示6课堂上课　副量子数L表示原子轨道的形状L=0时（称s轨道），其原子轨道呈球形分布（图4-5）；l=1时（称p轨道），其原子轨道呈哑铃形分布（图4-6） 7课堂上课（三）磁量子数磁量子数m磁量子数m决定原子轨道在空间的伸展方向空间的伸展方向当副量子数l给定时，m的取值为从-l到+l之间的一切整数（包括0在内），共有2L+1个取值，原子轨道在空间有2l+1个伸展方向四）自旋量子数自旋量子数ms原子中的电子除绕核作高速运动外，还绕自己的轴作自旋运动电子的自旋运动自旋运动用自旋量子数ms表示ms 有两个值+1/2和和-1/2只有两个方向，即顺顺/逆时针方向逆时针方向通常用“↑”和“↓”表示另外，能级由于自旋-轨道偶合发生分裂，用内量子数内量子数j来表征 j=|l+ms |电子能谱中用主量子数n，角量子数l，内量子数j三个量子数来表征如3d5/2，三层，角量子数为2（d层），内量子数2+1/2=5/2，通常省略1/28课堂上课原子结构9课堂上课原子能级划分原子能级划分10课堂上课11课堂上课§§7.2 X7.2 X射线光电子能谱射线光电子能谱（（XPSXPS））由于各种原子轨道中电子的由于各种原子轨道中电子的结合能结合能是一定的，因此是一定的，因此 XPS XPS 可用来测定固体表面的可用来测定固体表面的化学成分化学成分。

12课堂上课13课堂上课a a 清洁表面；清洁表面； b 1barO b 1barO2 2、、403K403K氧化氧化1 1小时小时金属态的镍金属态的镍Ni较较高高氧氧化化态态的的镍镍NiNi3 3+ + Ni-PNi-P合金的合金的Ni 2pNi 2p3/23/2 XPS XPS谱谱 化学位移鉴定化学状态化学位移鉴定化学状态14课堂上课15课堂上课XPS光电子线及伴线A.光电子线:在图谱中明显而尖锐的谱峰强度最大，峰宽最小，对称性最好称为主峰-元素定性分析主要依据B.俄歇线：俄歇电子形成的谱线 俄歇谱线的表示：LMM俄歇电子是L层电子被激发，M层电子填充到L层，释放的能量又使另一个M层电子激发所形成的俄歇电子C.X射线卫星线:X射线并非单色，阳极材料原子产生荧光X射线效应，这些射线统称Kα1,2X射线的卫星线卫星线激发的光电子形成X射线卫星峰表现图谱，在主光电子线的低结合能或高结合能端较小的卫星峰7.3 XPS7.3 XPS谱图中谱线谱图中谱线16课堂上课D.多重分裂：原子电离后空位与自旋电子发生偶合，得到不同终态，相应每一个终态，在图谱上将有一条谱线配位体相同时，多重分裂与未成对电子数正相关。

多重分裂谱线能量差与配位体离子电负性相关，可以用于判断价态17课堂上课E.能量损失谱线：光电子穿过样品表面时，同原子间发生非弹性碰撞、损失能量后在图谱上出现的伴峰18课堂上课F.电子的振激与振离谱线（一）振离谱线振离是一种多重电离过程原子的一个内层电子电离而发射，导致一个外层电子电离光电子能量被原子吸收，在图谱主光电子峰附近出现连续谱线二）振激谱线过程与振离相似，所不同的是价壳层电子跃迁到更高级束缚态结果在谱图主光电子峰的低动能端分离的伴峰判断顺磁反磁、键的共价性、几何构型等化学性质G.鬼线：难以解释的光电子线来源阳极靶材杂质元素，窗口材料等19课堂上课§§7.4 7.4 俄歇电子能谱俄歇电子能谱(AES)(AES) 俄歇电子能谱的基本机理是：入射电子束或俄歇电子能谱的基本机理是：入射电子束或X X射线使原子内层能级射线使原子内层能级电子电离，外层电子产生无辐射俄歇跃迁，发射俄歇电子，用电子电子电离，外层电子产生无辐射俄歇跃迁，发射俄歇电子，用电子能谱仪在真空中对它们进行探测能谱仪在真空中对它们进行探测能量公式能量公式对于原子序数为对于原子序数为Z Z的原子的原子, ,俄歇电子的能量可以用下面经验公式计算：俄歇电子的能量可以用下面经验公式计算：EWXY(Z)=EW(Z)-EX(Z)-EY(Z+ Δ)-ΦEWXY(Z)=EW(Z)-EX(Z)-EY(Z+ Δ)-Φ式中，式中， EWXY(Z) EWXY(Z)：原子序数为：原子序数为Z Z的原子，的原子，W W空穴被空穴被X X电子填充得到的俄电子填充得到的俄歇电子歇电子Y Y的能量。

的能量EW(Z)-EX(Z)EW(Z)-EX(Z)：：X X电子填充电子填充W W空穴时释放的能量空穴时释放的能量EY(Z+Δ)EY(Z+Δ)：：Y Y电子电离所需的能量电子电离所需的能量Φ-功函数功函数20课堂上课 俄歇过程和俄歇电子能量俄歇过程和俄歇电子能量 WXY俄歇过程示意图俄歇过程示意图WXYWXY跃跃迁迁产产生生的的俄俄歇歇电电子子的的动动能能可可近近似似地地用用经验公式估算，即：经验公式估算，即： 俄歇电子俄歇电子功功函函数数原子序数原子序数实验值在实验值在 和和 之间之间21课堂上课§§7.5 7.5 电子能谱仪简介电子能谱仪简介 电子能谱仪主要由电子能谱仪主要由激发源激发源、、电子能量分析器电子能量分析器、、探测电子的探测电子的监测器监测器和和真空系统真空系统等几个部等几个部分组成22课堂上课能量分析器能量分析器电子能量分析器其作用是探测样品发射出来的不同电子能量分析器其作用是探测样品发射出来的不同能量电子的相对强度它必须在高真空条件下工作能量电子的相对强度它必须在高真空条件下工作即压力要低于即压力要低于1010-3-3帕，以便尽量减少电子与分析器帕，以便尽量减少电子与分析器中残余气体分子碰撞的几率。

中残余气体分子碰撞的几率23课堂上课半球形电子能量分析器半球形电子能量分析器半球形分析器示意图半球形分析器示意图24课堂上课 筒镜形电子能量分析器筒镜形电子能量分析器筒镜分析器示意图筒镜分析器示意图25课堂上课 检测器检测器检测器通常为单通道电子倍增器和多通道倍增器检测器通常为单通道电子倍增器和多通道倍增器光电子或俄歇电光电子或俄歇电子流子流倍增器倍增器 通道电子倍增器是通道电子倍增器是一种采用连续倍增电极一种采用连续倍增电极表面（管状通道内壁涂表面（管状通道内壁涂一层高阻抗材料的薄膜）一层高阻抗材料的薄膜）静电器件内壁具有二静电器件内壁具有二次发射性能电子进入次发射性能电子进入器件后在通道内连续倍器件后在通道内连续倍增，增益可达增，增益可达 10 109 9 多通道检测器是由多多通道检测器是由多个微型单通道电子倍个微型单通道电子倍增器组合在一起而制增器组合在一起而制成的一种大面积检测成的一种大面积检测器，也称位敏检测器器，也称位敏检测器（（PSDPSD）或多阵列检测）或多阵列检测器器26课堂上课 真空系统真空系统电子能谱仪的真空系统有两个基本功能电子能谱仪的真空系统有两个基本功能。

1 1、使样品室和分析器、使样品室和分析器保持一定的真空度，保持一定的真空度，以便使样品发射出来以便使样品发射出来的电子的平均自由程的电子的平均自由程相对于谱仪的内部尺相对于谱仪的内部尺寸足够大，减少电子寸足够大，减少电子在运动过程中同残留在运动过程中同残留气体分子发生碰撞而气体分子发生碰撞而损失信号强度损失信号强度2 2、降低活性残余气体的、降低活性残余气体的分压因在记录谱图所必分压因在记录谱图所必需的时间内，残留气体会需的时间内，残留气体会吸附到样品表面上，甚至吸附到样品表面上，甚至有可能和样品发生化学反有可能和样品发生化学反应，从而应，从而影响电子从样品影响电子从样品表面上发射并产生外来干表面上发射并产生外来干扰谱线扰谱线27课堂上课样品处理样品处理气气化化冷冷冻冻气体气体液体液体固体固体采用差分抽气的方法把气体采用差分抽气的方法把气体引进样品室直接进行测定引进样品室直接进行测定块状块状：直接夹在或粘在：直接夹在或粘在样品托上在样品托上；样品托上在样品托上；粉末粉末：可以粘在双面胶：可以粘在双面胶带上或压入铟箔（或金带上或压入铟箔（或金属网）内，也可以压成属网）内，也可以压成片再固定在样品托上。

片再固定在样品托上1 1）真空加热；）真空加热；（（2 2）氩离子刻蚀氩离子刻蚀电子能谱仪原则上可以分析固体、气体和液体样品电子能谱仪原则上可以分析固体、气体和液体样品校正或消除样校正或消除样品的荷电效应品的荷电效应电中和法、电中和法、内标法和内标法和外标法外标法28课堂上课29课堂上课30课堂上课31课堂上课§§7.6 7.6 应用举例应用举例电子能谱目前主要应用于催化、金属腐蚀、粘合、电子能谱目前主要应用于催化、金属腐蚀、粘合、电极过程和半导体材料与器件等这样一些极有应用电极过程和半导体材料与器件等这样一些极有应用价值的领域，探索固体表面的组成、形貌、结构、价值的领域，探索固体表面的组成、形貌、结构、化学状态、电子结构和表面键合等信息随着时间化学状态、电子结构和表面键合等信息随着时间的推移，电子能谱的应用范围和程度将会越来越广的推移，电子能谱的应用范围和程度将会越来越广泛，越来越深入泛，越来越深入XPS XPS 是用是用X X射线光子激发原子的内层电子发生电离，射线光子激发原子的内层电子发生电离，产生光电子，这些内层能级的结合能对特定的元产生光电子，这些内层能级的结合能对特定的元素具有特定的值，因此通过测定电子的结合能和素具有特定的值，因此通过测定电子的结合能和谱峰强度，可鉴定除谱峰强度，可鉴定除H H和和HeHe（因为它们没有内层能（因为它们没有内层能级）之外的全部元素以及元素的定量分析。

级）之外的全部元素以及元素的定量分析32课堂上课33课堂上课34课堂上课35课堂上课得出某个元素所占有原子分数，对照灵敏度因子数据表得出某个元素所占有原子分数，对照灵敏度因子数据表36课堂上课。