材料研究分析方法XPS课件.ppt

1、P PS S-紫紫外外光光电电子子能能谱谱仪仪3.3.A AE ES S-俄俄歇歇电电子子能能谱谱仪仪4.4.S SI IM MS S-二二次次离离子子质质谱谱5.5.E EE EL LS S-电电子子能能量量损损失失谱谱6.6.A AF FM M-原原子子力力显显微微镜镜7.7.S ST TM M-扫扫描描隧隧道道显显微微镜镜能量分析器:是谱仪的核心部分，用以精确测定电子结合能。能量分析器:有半球或筒镜分析器。位置灵敏探测器：一种高效探测器，可用于小面积XPS。E k=h-E b-式中E k为光电子动能，h 为激发光能量，E b是固体中电子结合能，为逸出功 系系列列内能级内能级:XPSXPS

2、分析的大部分信息由内能级谱提供分析的大部分信息由内能级谱提供,内能级结合内能级结合能及其相对强度分别用作元素识别和原子相对浓度测定。图中能及其相对强度分别用作元素识别和原子相对浓度测定。图中各谱峰是银原子电子壳层结构的直接反映。除各谱峰是银原子电子壳层结构的直接反映。除3S3S能级外，能级外，Ag2PAg2P的结合能已大于的结合能已大于1254eV1254eV。由于自旋偶合作用结果，图中的非。由于自旋偶合作用结果，图中的非S S轨道都是双峰。内能级符号为轨道都是双峰。内能级符号为nljnlj，这里，这里n n为主量子数，为主量子数，l l为轨为轨道角动量量子数，道角动量量子数，j j为总角量子

3、数，为总角量子数，j=j=（l+sl+s），其中），其中s s为自旋为自旋角动量量子数（角动量量子数（1/21/2）。因些当）。因些当l0l0时，必存在两个可能状态时，必存在两个可能状态,见表，这两个状态的能量差反映了光发射后留下的未配对电子见表，这两个状态的能量差反映了光发射后留下的未配对电子的自旋及轨道角动量矢量的的自旋及轨道角动量矢量的“平行平行”和和“反平反平”特点，特点，这个能这个能量差值可达数电子伏特。对于量差值可达数电子伏特。对于MgKMgK和和A1KXA1KX射线源，其光子射线源，其光子能量对周期表中除能量对周期表中除H H以外以外,任一原子至少可以激发一个内能级任一原子至少可

4、以激发一个内能级。其持征结合能数值可以用作明确的元素标识。其持征结合能数值可以用作明确的元素标识。化学位移效应化学位移效应n处于不同化学环境下的同一原子，其内能级谱中会出现处于不同化学环境下的同一原子，其内能级谱中会出现分立的分峰。分立的分峰。n氟是具有最大电负性的元素，它能诱导最大的化学位移。氟是具有最大电负性的元素，它能诱导最大的化学位移。如：氟聚合物的如：氟聚合物的C1sC1s谱，见下图谱，见下图n氟起到初级取代和次级取代作用，氟起到初级取代和次级取代作用，对于用氟简单取代对于用氟简单取代一个氢，初级位移为一个氢，初级位移为2.9eV2.9eV左右，次级位移为左右，次级位移为0.7eV0

5、.7eV左右。左右。n-CH-CH2 2 285eV,-CF 288.5eV,-CF285eV,-CF 288.5eV,-CF2 2 291.6eV,-CF291.6eV,-CF3 3 293.7eV,293.7eV,nCFCF2 2-CF-CF =3.1eV=3.1eV;CFCF3 3-CF-CF2 2=2.1eV=2.1eV不同温度处理后不同温度处理后Pd-SnO2Pd-SnO2薄膜中元素组成薄膜中元素组成 不同温度下不同温度下SnO2SnO2和和Pd-SnO2Pd-SnO2膜特征峰膜特征峰SnSn3d5/23d5/2的结合能的结合能 TiO2/SnO2TiO2/SnO2复合薄膜表面化学组

6、成及相对含量复合薄膜表面化学组成及相对含量 TiO2/SnO2TiO2/SnO2复合薄膜表面复合薄膜表面3#3#样品的样品的XPSXPS高分辨图谱高分辨图谱 及及C1sC1s测试数据测试数据溅射前后薄膜表面的溅射前后薄膜表面的T2PT2P图谱图谱Ar+Ar+溅射溅射300s300s后的后的Ti2pTi2p图谱分析图谱分析n不同配比不同配比TiO2/SnO2TiO2/SnO2复合薄膜样品溅射后的复合薄膜样品溅射后的Ti2pTi2p图谱峰形和结图谱峰形和结合能位置产生了变化合能位置产生了变化;n根据表中根据表中TiTi的结合能大小，推断为的结合能大小，推断为TiTi+2+2、TiTi+3+3或或T

7、iTi+4+4;n和纯和纯TiO2TiO2相比，掺杂相比，掺杂SnO2SnO2后，后，TiTi+2+2和和TiTi+3+3含量减少，而含量减少，而TiTi+4+4含量含量增加。且随增加。且随SnO2SnO2掺杂量增加，薄膜中掺杂量增加，薄膜中TiTi+2+2、TiTi+3+3和和TiTi+4+4含量也不同，含量也不同，其中其中TiTi+3+3含量减少；含量减少；n掺杂掺杂SnO2SnO2使使TiTi的三种价态的结合能峰间距的三种价态的结合能峰间距(E EB)B)有明显的化学有明显的化学位移，位移，使使TiTi+2+2、TiTi+3+3或或TiTi+4+4的结合能峰间距的结合能峰间距(E EB)

8、B)增加后，又逐增加后，又逐渐减少渐减少,表明掺杂表明掺杂SnO2SnO2影响到了影响到了TiTi的电子结构。的电子结构。n掺杂掺杂SnO2SnO2引起引起TiTi的电子结构变化归因于的电子结构变化归因于SnSn离子的存在改变了离子的存在改变了TiO2TiO2粒子表面的电荷粒子表面的电荷,并影响到薄膜表面的氧化状态。并影响到薄膜表面的氧化状态。n溅射前溅射前TiO2/SnO2 TiO2/SnO2 复合薄膜表面复合薄膜表面TiTi的价态为的价态为TiTi+4+4，主要原因是，主要原因是经热处理后，经热处理后，薄膜表面的薄膜表面的TiTi+2+2、或、或TiTi+3+3被氧化为被氧化为TiTi+4

9、+4。复合薄膜表面复合薄膜表面ArAr+溅射溅射300s300s后的后的Ti2pTi2p图谱及图谱及Ti2pTi2p测试数据测试数据TiO2/SnO2TiO2/SnO2复合薄膜复合薄膜3#3#样品的样品的O1sO1s图谱图谱n复合薄膜经光诱导产生的空穴可以夺取薄膜表面被吸附物质中的复合薄膜经光诱导产生的空穴可以夺取薄膜表面被吸附物质中的电子，产生羟基（电子，产生羟基（OHOH）和超氧离子（）和超氧离子（O O2 2），羟基和超氧离子），羟基和超氧离子具有强氧化性，能够将各种有机物直接氧化分解为小分子。具有强氧化性，能够将各种有机物直接氧化分解为小分子。nXPSXPS分析不出分析不出OHOH和和

10、 O O2 2自由基在表面氧化的过程，但是可以检自由基在表面氧化的过程，但是可以检测到表面被氧化的结果，分析表面氧化的情况，来研究薄膜表面测到表面被氧化的结果，分析表面氧化的情况，来研究薄膜表面的亲水性和光催化性。的亲水性和光催化性。TiO2/SnO2TiO2/SnO2复合薄膜的复合薄膜的O1sO1s测试数据测试数据木材表面的木材表面的OlsOls分析分析n样品样品b b中中O2O2的含量有所增加而的含量有所增加而O1O1含量有所降低，含量有所降低，AO2AO2/AO1AO1的比值的比值0.230.23，比未改性处理木材样品增大，比未改性处理木材样品增大了近一倍，通过双键与碳相连的氧增加了近一

11、倍，通过双键与碳相连的氧增加,即即C=OC=O基基团增加团增加;n说明木材表面经说明木材表面经MWPMWP处理后碳的氧化态增高，这和处理后碳的氧化态增高，这和样品样品b b的的C1sC1s谱表现出来的谱表现出来的C2C2、C3C3、C4C4增加一致增加一致;n表明表明OlsOls谱峰所表现出来的变化趋势与谱峰所表现出来的变化趋势与C1sC1s谱峰相谱峰相符。符。薄薄膜膜试试样样的的光光电电子子能能谱谱曲曲线线P P谱谱n从结合能图谱分析及计算结果来看，在从结合能图谱分析及计算结果来看，在Pt4f5/2Pt4f5/24f7/24f7/2及及Ru3d3/2Ru3d3/23d5/23d5/2能谱曲线

12、之间存在着能谱曲线之间存在着PtRuPtRu固溶体的能谱峰固溶体的能谱峰;n试样试样A A形成质量百分比为形成质量百分比为PtRu50(PtRu50(原子浓度比为原子浓度比为Pt:Ru=1:1.15)Pt:Ru=1:1.15)的的合金合金;n当工作值在试样当工作值在试样A A的基础上增加到试样的基础上增加到试样B B的过程中，该的过程中，该PtRuPtRu固溶体固溶体中中PtPt占膜层中全部占膜层中全部PtPt的原子浓度比率由的原子浓度比率由22.18%22.18%降至降至6.16%6.16%，而该，而该固溶体中固溶体中RuRu占膜层中全部占膜层中全部RuRu的原子浓度比率由的原子浓度比率由25.52%25.52%增加至增加至42.17%;42.17%;n表明随工作值的增加，使该表明随工作值的增加，使该PtRuPtRu固溶体中的固溶体中的PtPt和和RuRu的原子浓度比的原子浓度比由由1:1.151:1.15转变为以转变为以RuRu为主的为主的PtRuPtRu固溶体固溶体 。