现代分析测试技术X射线光电子能谱课件.ppt

1、现代分析测试技术现代分析测试技术X射线光电子能谱射线光电子能谱X射线光谱分析 X射线谱仪特征特征X-ray 高能粒子高能粒子 利用特征利用特征X-ray的的波长波长不同来展谱不同来展谱横坐标是波长横坐标是波长/nm 利用特征利用特征X-ray能量能量不同来展谱不同来展谱横坐标是能量横坐标是能量/eV 展开谱图的方式展开谱图的方式 光学方法，分光晶体、光学方法，分光晶体、利用晶体衍射利用晶体衍射电子学方法，电子学方法，Si(Li)探测器、探测器、多道脉冲分析器多道脉冲分析器分析元素范围广、探测极限小、分析元素范围广、探测极限小、分辨率高、适于精确的定量分析分辨率高、适于精确的定量分析分析速度快，

2、对试样的表面要求不分析速度快，对试样的表面要求不严格，特别适合与严格，特别适合与SEM配合使用配合使用样品样品 用于成分和价键分析的几种特征信号用于成分和价键分析的几种特征信号 31）特征X射线2）光电子 3）俄歇电子 4）特征能量损失电子 电子能谱学的定义电子能谱学的定义 电子能谱学可以定义为利用具有一定能量的粒子（光子，电子，粒子）轰击特定的样品，研究从样品中释放出来的电子电子或离子或离子的能量分布能量分布和空间分布，从而了解样品的基本特征的方法。入射粒子与样品中的原子发生相互作用，经历各种能量转递的物理效应，最后释放出的电子和粒子具有样品中原子的特具有样品中原子的特征信息征信息。通过对这

3、些信息的解析信息的解析，可以获得样品中原子的各种信息如含量，化学价态等。电子能谱学的内容非常广泛，凡是涉及到利用利用，均可归属为电子能谱学的范围。根据激发离子以及出射离子的性质，可以分为以下几种技术。紫外紫外光电子能谱光电子能谱(Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy，UPS），X射线射线光电子能谱光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectroscopy，XPS）,俄歇电子能谱俄歇电子能谱（Auger Electron Spectroscopy,AES），离子散射谱（Ion Scattering Spectroscopy，ISS），电子

4、能量损失谱（Electron Energy Loss Spectroscopy，EELS）等。随着微电子技术的发展，X光电子能谱已发展成为具有表面元素分析、化学态和能带结构分析以及微区化学态成像分析等功能的强大的表面分析仪器。X射线光电子能谱射线光电子能谱（XPS，全称为，全称为X-ray Photoelectron Spectroscopy）是一种基于）是一种基于光电效应光电效应的电子能谱，它是利用的电子能谱，它是利用X射线光子激发出物质表面原子的内层电子，通过对这些电子进射线光子激发出物质表面原子的内层电子，通过对这些电子进行能量分析而获得的一种能谱。行能量分析而获得的一种能谱。12.X射

5、线光电子能谱分析射线光电子能谱分析 X射线是由德国物理学家伦琴（射线是由德国物理学家伦琴（Wilhelm Conrad Rntgen，l845-1923）于于1895年发现的，他由此获得了年发现的，他由此获得了1901年首届诺贝尔物理学奖年首届诺贝尔物理学奖。XPS现象基于爱因斯坦于现象基于爱因斯坦于1905年揭示的光电效应。爱因斯坦由于这方年揭示的光电效应。爱因斯坦由于这方面 的 工 作 被 授 予面 的 工 作 被 授 予 1 9 2 1 年 诺 贝 尔 物 理 学 奖年 诺 贝 尔 物 理 学 奖；XPS是由瑞典是由瑞典Uppsala大学的大学的K.Siegbahn及其同事历经近及其同事

6、历经近20年的潜心研年的潜心研究于究于20世纪世纪50年代中期年代中期研制开发出的一种新型表面分析仪器和方法。鉴研制开发出的一种新型表面分析仪器和方法。鉴于于K.Siegbahn教授对发展教授对发展XPS领域做出的重大贡献，他被授予领域做出的重大贡献，他被授予1981年诺年诺贝尔物理学奖贝尔物理学奖。Na2S2O3和和Na2SO4的的 2p XPS谱图谱图SO42S2O32S(VI)S(II)S(VI)20世纪60年代，对Na2S2O3的研究，观测到，发现：发现：Na2S2O3的的XPS谱图中出现两个完谱图中出现两个完全分开的全分开的2p峰，而且两峰的强度相峰，而且两峰的强度相等等。但在Na2

7、SO4的XPS谱图中只有一个2p峰。这表明Na2S2O3中的两中的两个硫原子价态不同，从而造成了两个硫原子价态不同，从而造成了两者内层电子结合能的不同者内层电子结合能的不同。XPS从此受到人们的重视。从此受到人们的重视。使使XPS得到重视的事件得到重视的事件 12.1.1 光电子的产生光电子的产生 1.光电效应光电效应 12.1 X射线光电子能谱分析的基本原理射线光电子能谱分析的基本原理 具有足够能量的入射光子具有足够能量的入射光子(hv)与样品相互作用时，光子把它与样品相互作用时，光子把它的全部能量转移给原子、分子或固体的某一束缚电子，使之电的全部能量转移给原子、分子或固体的某一束缚电子，使

8、之电离离。*hvMMeMhveM 中性原子入射光子能量发射出的光电子处于激发态的离子 光电效应的几率随着电子同原子核结合的加紧而很光电效应的几率随着电子同原子核结合的加紧而很快地增加快地增加，所以只要光子的能量足够大，被激发的总是只要光子的能量足够大，被激发的总是内层电子内层电子。如果入射光子的能量大于壳层或壳层的电子结合能，那么外层电子的光电效应几率就会很小，特别是价带，对于入射光来说几乎是“透明”的。光电效应的几率用光电效应的几率用光电截面光电截面表示，定义为：某表示，定义为：某能级的电子对能级的电子对入射光子的有效能量转移面积入射光子的有效能量转移面积，或者，或者一定能量的光子从某个能一

9、定能量的光子从某个能级激发出一个光电子的几率级激发出一个光电子的几率。所以，所以，与电子所在壳层的平均半径与电子所在壳层的平均半径r，入射光子的频率，入射光子的频率和受和受激原子的原子序数激原子的原子序数Z有关。有关。一般来说，在入射光子的能量一定的情况下：一般来说，在入射光子的能量一定的情况下：1、同一原子中半径越小的壳层，光电效应截面、同一原子中半径越小的壳层，光电效应截面越大；电子结越大；电子结合能与入射光子的能量越接近，光电效应截面合能与入射光子的能量越接近，光电效应截面越大。越大。2、不同原子中同一壳层的电子，原子序数越大，光电效应截面、不同原子中同一壳层的电子，原子序数越大，光电效

10、应截面越大。越大。34567891112元素元素LiBeBCNOFNaMg1.14.211224064100 195 266 光电效应截面光电效应截面越大，说明该能级上的电子越容易被光激发。越大，说明该能级上的电子越容易被光激发。与同原子其他壳层上的电子相比，它的光电子峰的强度就越大与同原子其他壳层上的电子相比，它的光电子峰的强度就越大。科学工作者已经对科学工作者已经对Al和和Mg的的K线激发下，各元素的各能级线激发下，各元素的各能级的光电效应截面经行了计算，如的光电效应截面经行了计算，如Perkin-Elmer公司的公司的X射线光电射线光电子谱手册。子谱手册。2.电子结合能电子结合能自由原子

11、中定义自由原子中定义：将电子从它的量子化能级移到无穷远静止状态时所需的能量，这个能量等于自由原子的真空能级与电子所在能级的能量差爱因斯坦爱因斯坦光电发射定律光电发射定律，也是，也是XPS谱分析中最基本的方程谱分析中最基本的方程hv=EB+EK EB=hv-EK EK:光电子动能光电子动能 EB:电子结合能电子结合能 各原子的不同轨道电子的结合能是一定的，具有标识性各原子的不同轨道电子的结合能是一定的，具有标识性。因此，可以通过光电子谱仪检测光电子的动能，由光电发射定律得知相应能级的结合能，来进行元素的鉴别。电子结合能电子结合能:EB(3)EB(2)EB(1);光电子动能光电子动能:EK(1)E

12、K(2)EK(3)EK(1)EK(2)EK(3)轨道电子结合能轨道电子结合能 一一对应一一对应 谱峰位置谱峰位置 对孤立的气态原子或分子，结合能可理解为把一个束缚电子对孤立的气态原子或分子，结合能可理解为把一个束缚电子从所在轨道移到完全脱离核势场束缚并处于最低能态时所需的从所在轨道移到完全脱离核势场束缚并处于最低能态时所需的能量能量，并假设原子在发生电离时其他电子维持原来的状态。，并假设原子在发生电离时其他电子维持原来的状态。以真空能级为能量零点以真空能级为能量零点 费米能级相当于0 K 时固体能带中充满电子的最高能级。固体样品中电子由费米能级跃迁到自由电子能级所需的能量为逸出功（功函数）。电

13、子结合能电子结合能自由自由电子电子动能动能逸出功逸出功 FBKShvEE理论计算复杂、实理论计算复杂、实验也不容易测定验也不容易测定对固体样品，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，通常选取用，通常选取费米费米(Fermi)能级能级为为EB的参考点。的参考点。电子的结合能电子的结合能可定义为把电子从所在能级移到费米能级所需的能量把电子从所在能级移到费米能级所需的能量。半导体电离能级示意图半导体电离能级示意图 KSKSPEE 策略：策略：利用利用样品材料和谱仪材料功函数的关系样品材料和谱仪材料功函数的关系，避开测量样品，避开测量样品功

14、函数而直接得到电子结合能。功函数而直接得到电子结合能。SP:仪器材料的功函数，仪器条件不变时，仪器材料的功函数，仪器条件不变时，SP 是固定的是固定的.当样品与样品台当样品与样品台接触良好接触良好时，若样品时，若样品的功函数小于仪器材料的功函数，样的功函数小于仪器材料的功函数，样品中的电子就会向功函数大的仪器迁品中的电子就会向功函数大的仪器迁移，产生移，产生接触电位差接触电位差，其值等于谱仪，其值等于谱仪的功函数与样品功函数之差；电子迁的功函数与样品功函数之差；电子迁移达到平衡时，移达到平衡时，费米能级完全重合费米能级完全重合。有：有：样品样品仪器仪器 样品样品仪器仪器 电子运动的动力来自于费

15、米能级的不同，样品与谱仪材料接触且接地说电子运动的动力来自于费米能级的不同，样品与谱仪材料接触且接地说明它们的电势是相同的，功函数不同也就是费米能级的不同引起的，功函数明它们的电势是相同的，功函数不同也就是费米能级的不同引起的，功函数小，说明费米能级高，电子从高能级向低能级运动是电子运动的本性。小，说明费米能级高，电子从高能级向低能级运动是电子运动的本性。KSKSPEE FBKSPhvEEFBKShvEE代入代入只要测得光电子进入谱仪后的动能只要测得光电子进入谱仪后的动能EK，就，就可得到电子结合能。可得到电子结合能。12-6 12-7 12-8 3.弛豫效应弛豫效应 电子从内壳层出射，结果使

16、原来体系中的平衡势场被破坏，形成的离子处于激发态，其余轨道电子结构将作出重新调整。原子轨道半径会发生1%-10%的变化。这种电子结构的重新调电子结构的重新调整叫电子弛豫整叫电子弛豫。以上公式的提出都是基于“突然近似假定”，即原子电离后除某一轨道的电子被激发外，其余轨道电子的运动状态不发生改变而处于一种“冻结状态”。但实际体系中不存在这种情况。弛豫的结果使离子回到基态，同时释放出弛豫能；弛豫的结果使离子回到基态，同时释放出弛豫能；因弛豫过程大体与光电发射同时进行，加速了光电子的发射，因弛豫过程大体与光电发射同时进行，加速了光电子的发射，提高了光电子的动能，提高了光电子的动能，使光电子谱线向低结合

17、能一侧移动使光电子谱线向低结合能一侧移动。原子内项原子内项：自由原子只存在这一项（单独原子内部调整产生的影响）；原子外项原子外项：分子和固体，这一项占有很大比例（与被电离原子相关的其它原子电子结构的重新调整所产生的影响）。XPS中，自由原子与纯元素固体比，结合能高出515 eV。12.1.2 化学位移化学位移 同种原子处于不同化学环境而引起的电子结合能的变化，同种原子处于不同化学环境而引起的电子结合能的变化，在谱线上造成的位移称为化学位移。在谱线上造成的位移称为化学位移。化学环境：化学环境：1）与它结合的元素种类和数量不同；）与它结合的元素种类和数量不同；2）具有不同的价态）具有不同的价态XP

18、S能测出除能测出除(Cu、Ag)等少数原子以外绝大部分元素的内层等少数原子以外绝大部分元素的内层电子结合能位移，故在化学中获得广泛使用。电子结合能位移，故在化学中获得广泛使用。化学位移现象起因及规律：化学位移现象起因及规律：（1）原因）原因 内层电子一方面受到内层电子一方面受到原子核强烈的库仑作用原子核强烈的库仑作用而具有一定的而具有一定的结合能，另一方面又受到结合能，另一方面又受到外层电子的屏蔽作用外层电子的屏蔽作用。因而元素的价。因而元素的价态改变或周围元素的电负性改变，则内层电子的结合能改变。态改变或周围元素的电负性改变，则内层电子的结合能改变。（2）规律）规律 当元素的价态增加，电子受

19、原子核的库伦作用增加，结当元素的价态增加，电子受原子核的库伦作用增加，结合能增加合能增加；当外层电子密度减少时，屏蔽作用将减弱，内当外层电子密度减少时，屏蔽作用将减弱，内层电子的结合能增加；反之，结合能将减少。层电子的结合能增加；反之，结合能将减少。卤素取代卤素取代CH4中的氢，中的氢，C原子中电子的结合能？原子中电子的结合能？外层电子密度减少，内层电子的结合能增加外层电子密度减少，内层电子的结合能增加 化学位移与元素电负性的关系化学位移与元素电负性的关系 与元素电负性的关系三氟乙酸乙酯电负性：F O C H4个碳元素所处化学环境不同；聚对苯二甲酸乙二酯中聚对苯二甲酸乙二酯中三种完全不同的碳原

20、子三种完全不同的碳原子和和两两种不同氧原子种不同氧原子1s谱峰的化学位移谱峰的化学位移12123结合能结合能 结合能结合能 化学位移与原子氧化态的关系化学位移与原子氧化态的关系 从一个原子中移去一个电子所需要的能量将随着原子中正电从一个原子中移去一个电子所需要的能量将随着原子中正电荷的增加，或负电荷减小而增加。荷的增加，或负电荷减小而增加。化学位移与原子氧化态的关系化学位移与原子氧化态的关系化学位移与原子氧化态的关系化学位移与原子氧化态的关系金属及其氧化物的结合能位移金属及其氧化物的结合能位移 EB同原子序数同原子序数Z之间的关系之间的关系 一般规律：一般规律：理论上，同一元素随氧化态的增加，

21、内层电子的结合能增加，理论上，同一元素随氧化态的增加，内层电子的结合能增加，化学位移增加。化学位移增加。12.2 X射线光电子能谱实验技术射线光电子能谱实验技术12.2.1 X射线光电子能谱仪结构射线光电子能谱仪结构 单色单色X射线激发样品室中样品射线激发样品室中样品电子被激发形成光电子电子被激发形成光电子利用能量分析器按能利用能量分析器按能量高低的测得光电子数量分布量高低的测得光电子数量分布电子倍增器信号放大电子倍增器信号放大显示记录得显示记录得XPS图。图。1射线激发源射线激发源 XPS中最常用的中最常用的X射线源主要由射线源主要由灯丝灯丝、栅极栅极和和阳极靶阳极靶构成。构成。（热阴极（热

22、阴极X射线管结构）射线管结构）X射线源的主要性能指标是射线源的主要性能指标是强度强度和和线宽线宽；一般采用；一般采用K 线，线，因为它是因为它是X射线发射谱中强度最大的。在射线发射谱中强度最大的。在X射线光电子能谱中射线光电子能谱中最重要的两个最重要的两个X射线源是射线源是 Mg 和和 Al 的特征的特征K 射线射线.双阳极双阳极X射线源射线源示意图示意图2.电子能量分析器电子能量分析器（1）作用：探测样品发射出来的不同能量电子的）作用：探测样品发射出来的不同能量电子的相对强度相对强度。它必须在高真空条件下工作，压力要低于它必须在高真空条件下工作，压力要低于10-5帕，以便尽量减帕，以便尽量减

23、少电子与分析器中残余气体分子碰撞的几率。少电子与分析器中残余气体分子碰撞的几率。（2）类型）类型 XPS的独特功能：的独特功能：从谱峰微小位移来鉴别试样中各元素的化学从谱峰微小位移来鉴别试样中各元素的化学状态及电子结构状态及电子结构，因此要求电子能量分析器有较高的分辨率，因此要求电子能量分析器有较高的分辨率，同时要有较高的灵敏度。同时要有较高的灵敏度。半球型电子能量分析器半球型电子能量分析器 在两球面间施加扫描电压，不同能量的电子具有不同的偏转在两球面间施加扫描电压，不同能量的电子具有不同的偏转作用，从而把能量不同的电子分离开；作用，从而把能量不同的电子分离开；分辨率高分辨率高；V在高分辨率下

24、工作仍能保持较高的灵敏度在高分辨率下工作仍能保持较高的灵敏度 能量分析器的分辨率能量分析器的分辨率/100%kE E相对分辨率2/(/2)/2kE EWr -光电子能谱的半高宽即绝对分辨率 Ek-通过分析器电子的额动能 W-狭缝宽度同等条件下，能量分析器对高动能电子的分辨率差；同等条件下，能量分析器对高动能电子的分辨率差；策略：先策略：先将电子预减速将电子预减速再进入分析器，使仪器分辨率提高。再进入分析器，使仪器分辨率提高。筒镜式电子能量分析器筒镜式电子能量分析器 同轴圆筒，外筒接负压、内筒接地，两筒之间形成静电场；同轴圆筒，外筒接负压、内筒接地，两筒之间形成静电场；灵敏度高、分辨率低；灵敏度

25、高、分辨率低；3.检测器检测器 用用电子倍增器电子倍增器检测电子数目。电子倍增器是一种采用连续检测电子数目。电子倍增器是一种采用连续倍增电极表面的静电器件，内壁具有二次发射性能。电子进入倍增电极表面的静电器件，内壁具有二次发射性能。电子进入器件后在通道内连续倍增，增益可达器件后在通道内连续倍增，增益可达 109。1、减少电子在运动过程中同残留气体分子发生碰撞而损失信减少电子在运动过程中同残留气体分子发生碰撞而损失信号强度号强度。2、降低活性残余气体的分压降低活性残余气体的分压。因在记录谱图所必需的时间内，残留气体会吸附到样品表面上，甚至有可能和样品发生化学反应，从而影响电子从样品表面上发射并产

26、生外来干扰谱线。如，298K吸附一层气体分子所需时间10-4Pa时为1秒；10-7Pa时为1000秒。4.真空系统真空系统PHI 5800 ESCA 系统能量分析器真空泵组X射线光源计算机处理样品腔实验结果：实验结果：XPS谱图谱图12.2.3 X射线光电子能谱仪谱图射线光电子能谱仪谱图分析内容：分析内容：根据谱图确定试样表面的元素组成、化学状态以及各根据谱图确定试样表面的元素组成、化学状态以及各种物理效应的能量范围和电子结构。种物理效应的能量范围和电子结构。1.XPS谱图的表示谱图的表示横坐标：横坐标：动能或结合能，单位动能或结合能，单位eV，一般以结合能为横坐标一般以结合能为横坐标。即：每

27、条谱线的位置和相应元素原子内层电子的结合能有一即：每条谱线的位置和相应元素原子内层电子的结合能有一一对应关系。一对应关系。纵坐标：纵坐标：相对强度（相对强度（CPS）。）。每个谱峰面积的大小与所含元素的丰度成正比每个谱峰面积的大小与所含元素的丰度成正比 结合能为横坐标的优点结合能为横坐标的优点：结合能比动能更能反应电子的壳层结构（能级结构）；结合能比动能更能反应电子的壳层结构（能级结构）；结合能与激发光源的能量无关结合能与激发光源的能量无关.2.谱图的特点谱图的特点（1）谱峰：）谱峰：X射线光电子入射，激发出的弹性散射的光电子形射线光电子入射，激发出的弹性散射的光电子形成的谱峰，成的谱峰，明显

28、而尖锐明显而尖锐。（2）背底或伴峰：如光电子）背底或伴峰：如光电子(从产生处向表面从产生处向表面)输送过程中输送过程中因非因非弹性散射弹性散射(损失能量损失能量)而产生的而产生的能量损失峰能量损失峰，X射线源的强伴射线源的强伴线产生的线产生的伴峰伴峰，俄歇电子峰俄歇电子峰等。等。XPS谱图的背底随结合能值的变化关系谱图的背底随结合能值的变化关系 如何区别背底峰？如何区别背底峰？背底峰的特点：由于能量损失是随机的，因此背底是连续的。高电子结合能端的背底电子较多（出射电子能量低）；在谱图中随着结合能的增加，背底电子的强度逐渐上升。XPS谱图分析中原子能级的表示用两个数字和一个小字母表示。谱图分析中

29、原子能级的表示用两个数字和一个小字母表示。例如：例如：3d5/2 u 第一个数字第一个数字3代表主量子数代表主量子数(n),u 小写字母小写字母d代表角量子数代表角量子数(l);u 右下角的分数代表内量子数右下角的分数代表内量子数j l为角量子数，为角量子数，l=0,1,2,3,2/1 lj3.XPS谱图中原子能级的表示方法谱图中原子能级的表示方法 注意注意:在在XPS谱图中自旋轨道偶合作用的结果，使谱图中自旋轨道偶合作用的结果，使l不等于不等于0的的电子电子（即非（即非s轨道）轨道）在在XPS谱图上出现双峰谱图上出现双峰(jl+1/2和jl-1/2)，称作自旋称作自旋-轨道分裂轨道分裂；而；

30、而S轨道上轨道上(l=0)的电子没有发生能级分的电子没有发生能级分裂，所以裂，所以在在XPS谱图中只有一个峰谱图中只有一个峰。2/1 ljl=0l=2（1）主量子数小的壳层的峰主量子数小的壳层的峰比主量子数大的峰强；比主量子数大的峰强；（2）同一壳层，角量子数大同一壳层，角量子数大者峰强；者峰强；Ag 3d Ag 3p Ag 3s（3）n和和l都相同者，都相同者，j大者大者峰强。峰强。Ag 3d5/2 Ag 3d3/2 4.XPS峰强度的经验规律峰强度的经验规律5、XPS光电子线及常见伴线分析光电子线及常见伴线分析 A、光电子线、光电子线 最强的光电子线常是谱图中强度最大、峰宽最小、对称性最好

31、的谱峰，称为XPS的主线。每一种元素都有自己最强的、具有表征作用的光电子线，它是元素定性分析的主要依据。除了强光电子线外，还有来自原子内其它壳层的光电子线，但强度稍弱，有的极弱。B、俄歇线、俄歇线 俄歇电子的能量与激发源能量大小无关。俄歇线多以谱线群方式出现 俄歇线俄歇线 OKLL、CKLL回顾：回顾：俄歇过程产生的俄歇电子峰可以用它俄歇过程产生的俄歇电子峰可以用它激发过程中涉及的三激发过程中涉及的三个电子轨道符号来标记个电子轨道符号来标记；如如OKLL:左边代表起始空穴的电子层，中间代表填补起始空左边代表起始空穴的电子层，中间代表填补起始空穴的电子所属的电子层，右边代表发射俄歇电子的电子层。

32、穴的电子所属的电子层，右边代表发射俄歇电子的电子层。C、XPS卫星线卫星线 用来照射样品的单色X射线并非单色，常规Al/Mg Ka1,2射线里混杂Ka3,4,5,6和Kb射线，它们分别是阳极材料原子中的L2和L3能级上的6个状态不同的电子和M能级的电子跃迁到K层上产生的荧光X射线效应。这些射线统称XPS卫星线。Mg Ka射线的卫星峰射线的卫星峰Al Ka、Mg Ka卫星峰离主光电子峰的位移和相对强度卫星峰离主光电子峰的位移和相对强度射线名称射线名称Ka1,2Ka3Ka4Ka5Ka6Kb高动能端位高动能端位移移0eV8.4eV10.2eV17.5eV20.0eV48.5eV相对强度相对强度100

33、9.25.10.80.52.0高动能端位高动能端位移移0eV9.8eV11.8eV20.1eV23.4eV69.7eV相对强度相对强度1007.83.30.420.282.0D、能量损失线、能量损失线 光电子能量损失谱线是由于光电子在穿过样品表面时发生光电子能量损失谱线是由于光电子在穿过样品表面时发生非弹性碰撞，能量损失后在谱图上出现的伴峰；非弹性碰撞，能量损失后在谱图上出现的伴峰；特征能量损失的大小与样品有关；能量损失峰的强度取决特征能量损失的大小与样品有关；能量损失峰的强度取决于样品特性、穿过样品的电子动能于样品特性、穿过样品的电子动能特点：在主峰低动能一侧、不连续特点：在主峰低动能一侧、

34、不连续 E、电子的振激（、电子的振激（Shake up）线和振离线（）线和振离线（Shake off）在光电发射中，由于内壳层形成空位，在光电发射中，由于内壳层形成空位，原子中心电位发生突变原子中心电位发生突变引起价壳层电子的跃迁引起价壳层电子的跃迁，出现两个结果：，出现两个结果：若价壳层电子跃迁到更高能级的束缚态称为若价壳层电子跃迁到更高能级的束缚态称为；若价壳层电子跃迁到非束缚的连续状态成了自由电子，称若价壳层电子跃迁到非束缚的连续状态成了自由电子，称为为。振激过程动能比主谱线低、不连续动能比主谱线低、不连续连续谱连续谱、和和的结合的结合能差距不大，能差距不大，鉴别困难鉴别困难。和和没有没

35、有2p3/2谱线谱线的振激峰的振激峰；而；而则有。则有。F、鬼线、鬼线 XPS中出现的难以解释的光电子线中出现的难以解释的光电子线 来源来源：阳极材料不纯，有部分阳极材料不纯，有部分X射线来自杂质微量元素；射线来自杂质微量元素；窗口出来窗口出来-铝箔铝箔XPS定性分析方法定性分析方法 首先标识那些总是出现的谱线，首先标识那些总是出现的谱线，e.g.C1s,CKLL,O1s,OKLL,O2s,X射线卫星峰和能量损失线；射线卫星峰和能量损失线；根据结合能数值标识谱图中最强的、代表样品中主体元素的强根据结合能数值标识谱图中最强的、代表样品中主体元素的强光电子线，并且与元素内层电子结合能的标准值仔细核

36、对，并光电子线，并且与元素内层电子结合能的标准值仔细核对，并找出与此匹配的其他弱光电子线和俄歇线群；找出与此匹配的其他弱光电子线和俄歇线群；（可借助手册，如Perkin-Elmer公司的X射线光电子谱手册。在此手册中有在Mg K和Al K照射下的各种元素的标准谱图。）12.2.4 元素的定性和定量分析元素的定性和定量分析 最后标出余下较弱的谱线，标识方法同上，标识时应想到可能最后标出余下较弱的谱线，标识方法同上，标识时应想到可能来自微量元素或杂质元素的信号，也可能来自强的来自微量元素或杂质元素的信号，也可能来自强的Kb X射线等射线等卫星峰的干扰；卫星峰的干扰；对那些反复核对但没有归属的谱线，

37、可能是鬼线；对那些反复核对但没有归属的谱线，可能是鬼线；定量分析的任务是根据光电子峰强度，确定样品表面元素的根据光电子峰强度，确定样品表面元素的相对含量相对含量。光电子谱峰强度可以是峰的面积峰的面积，也可以是峰的高峰的高度度，一般用峰的面积一般用峰的面积，可以更精确些。计算峰的面积要正确地计算峰的面积要正确地扣除背底。扣除背底。XPS定量分析方法定量分析方法元素灵敏度因子法半经验 假定在分析的体积内样品是均匀的，则这种从特定的谱线假定在分析的体积内样品是均匀的，则这种从特定的谱线中所得到的光电子数可用谱线包括的面积中所得到的光电子数可用谱线包括的面积 I 表示，则表示，则元素的原元素的原子密度

38、子密度为：为：S-原子灵敏度因子可查原子灵敏度因子可查两种元素的浓度两种元素的浓度比：比：SI221121/SISI对对多种元素中的某一元素浓度多种元素中的某一元素浓度：注意：注意：（1）不适用非均匀样品；）不适用非均匀样品；（2）对过渡金属，不同的化学状态有不同的原子灵敏度因）对过渡金属，不同的化学状态有不同的原子灵敏度因子；子；（3）上式的误差）上式的误差10-20%iiixxixxSISIC/谱线强度的确定谱线强度的确定 几何作图法：几何作图法：峰面积=峰高 半峰宽 称重法：称重法：沿谱线ACEDBFA剪下，称重（纸均匀）机械积分法：机械积分法：电子计算机拟合电子计算机拟合 X射线光电子

39、能谱分析，在实验时样品表面受辐照损伤小，射线光电子能谱分析，在实验时样品表面受辐照损伤小，能检测周期表中除能检测周期表中除 H 和和 He 以外所有的元素，并具有很高的绝以外所有的元素，并具有很高的绝对灵敏度。因此是目前表面分析中使用最广的谱仪之一。对灵敏度。因此是目前表面分析中使用最广的谱仪之一。如：如：对同一种元素的不同价态的成分进行定量分析；对同一种元素的不同价态的成分进行定量分析；无机无机/有机表面组成的测定；有机表面组成的测定；固体表面能带的测定及多相催化的研究；固体表面能带的测定及多相催化的研究；直接研究化合物的化学键和电荷分布直接研究化合物的化学键和电荷分布XPS的应用范围的应用

40、范围 12.3.1 表面元素全分析表面元素全分析 1.表面元素全分析的目的表面元素全分析的目的 了解样品表面的了解样品表面的元素组成元素组成，考察谱线之间，考察谱线之间是否存在相是否存在相互干扰互干扰，并，并为获取窄区谱（高分辨谱）提供能量设置范为获取窄区谱（高分辨谱）提供能量设置范围围的依据。的依据。2.方法方法（1）对样品进行快速扫描，获取全谱；）对样品进行快速扫描，获取全谱；（2）对谱图中各谱线的结合能进行能量校正；）对谱图中各谱线的结合能进行能量校正；（3）校正后的结合能和标准数据（或谱线）对照，确定）校正后的结合能和标准数据（或谱线）对照，确定各谱线的归属，即确定各谱线代表的元素。各

41、谱线的归属，即确定各谱线代表的元素。二氧化钛涂层玻璃试样的二氧化钛涂层玻璃试样的XPS谱图谱图（溶胶凝胶）（溶胶凝胶）存在：存在：Ti,O,Si,C;的来源，可能：的来源，可能：涂层太薄（涂层太薄（10nm）热处理使基体扩散热处理使基体扩散涂层变薄涂层变薄的来源，可能：的来源，可能：溶胶溶胶 谱仪油污染碳谱仪油污染碳例：例：12.3.2元素窄区谱分析元素窄区谱分析1.方法方法（1）以全分析谱作为基础，由其确定扫描的能量范围。）以全分析谱作为基础，由其确定扫描的能量范围。（2）与全谱相比，它的扫描时间长，通过的能量小，扫描步长）与全谱相比，它的扫描时间长，通过的能量小，扫描步长也小，得到的是谱线

42、的精细结构，有利于提高测试的分辨率。也小，得到的是谱线的精细结构，有利于提高测试的分辨率。2.用途用途（1）离子价态分析）离子价态分析方法方法 做试样的做试样的XPS谱和标准谱图做对比，或同时做试样和某一谱和标准谱图做对比，或同时做试样和某一价态的纯化合物的价态的纯化合物的XPS谱，然后对比谱图的相似性。谱，然后对比谱图的相似性。例子：鉴定铜红玻璃试样中铜的价态例子：鉴定铜红玻璃试样中铜的价态 表明铜红玻璃试样中铜为？价表明铜红玻璃试样中铜为？价（2）元素不同离子价态比例）元素不同离子价态比例方法u对试样做XPS分析，得到窄区谱。u若谱峰不规则，则对谱线进行拟合，得到不同价态元素的谱线；谱峰解

43、叠u对不同价态的谱峰分别积分得到谱峰面积；u查各价态的灵敏度因子，利用公式求各价态的比例。元素不同离子价态比例：元素不同离子价态比例：每一拟合曲线代表一钛离子的不同价态；每一拟合曲线代表一钛离子的不同价态；每一拟合曲线峰面积代表一钛离子的强度；每一拟合曲线峰面积代表一钛离子的强度；钛离子钛离子价态价态峰位峰位/eV相对原子含量相对原子含量4458.4567.793457.732.21应用实例一：确定二氧化钛膜中应用实例一：确定二氧化钛膜中+4价和价和+3价的比例。价的比例。元素不同离子价态比列：元素不同离子价态比列：O离子峰位离子峰位/eV529.40530.70531.90532.80相对原

44、子含量相对原子含量65.7420.3710.653.24对应的结合状态对应的结合状态TiO2Ti2O3OH碳酸根碳酸根应用实例二：应用实例二：（3）材料表面不同元素之间的定量）材料表面不同元素之间的定量方法u 对试样做XPS分析，得到窄区谱。u 根据峰面积和灵敏度因子，利用公式计算各元素的相对含量。实例：实例：功能功能陶瓷陶瓷所含所含Ti、Pb、La元元素的素的定量定量分析分析元素元素谱线谱线结合能结合能/eV峰面积峰面积灵敏度灵敏度因子因子相对原子相对原子含量含量TiTi 2p3/2458.054695911.1037.65PbPb 4f7/2138.1015770102.5554.55La

45、La 3d5/2843.205923226.77.80功能陶瓷所含功能陶瓷所含Ti、Pb、La元素的定量分析元素的定量分析iiixxixxSISIC/（4）化学结构分析）化学结构分析 依据：依据：原子的化学环境与化学原子的化学环境与化学位移之间的关系；位移之间的关系；羰基碳上电子云密度小，羰基碳上电子云密度小，1s电电子结合能大（动能小）；子结合能大（动能小）；峰强度峰强度比符合碳数比比符合碳数比。（5）深度分析）深度分析原理 用离子枪打击材料的表面，这样可以不断地打击出新的下表面，通过连续测试，循序渐进就可以做深度分析，得到沿表层到深层元素的浓度分布。利用离子枪依次剥落表面，进行利用离子枪依

46、次剥落表面，进行XPS分析，分析，就可以得到深度分布图谱就可以得到深度分布图谱注意问题注意问题：离子溅射时，样品的化学态可能会改变。：离子溅射时，样品的化学态可能会改变。Ni-B合金表面合金表面Ni、B、O的表面浓度与氩刻时间的关系的表面浓度与氩刻时间的关系 深度分析其它方法深度分析其它方法 P145 2）有无能量损失峰）有无能量损失峰3）根据峰的减弱情况推断体相原子或表面原子）根据峰的减弱情况推断体相原子或表面原子 4）改变样品表面和分析器入射缝之间的角度）改变样品表面和分析器入射缝之间的角度（6）表面分析）表面分析 如果要测定样品表面一定范围内表面不均匀分布情况，如果要测定样品表面一定范围

47、内表面不均匀分布情况，可采用切换分析器前入射狭缝的尺寸的方式来进行。可采用切换分析器前入射狭缝的尺寸的方式来进行。5 m表面分析工作模式示意图表面分析工作模式示意图 End 作业：作业：1.物质原子中电子结合能的化学位移与哪些因素有关及其影物质原子中电子结合能的化学位移与哪些因素有关及其影响规律。响规律。2.X 射线光电子能谱分析原理射线光电子能谱分析原理.（6）高分子结构分析高分子结构分析 光降解作用光降解作用u方法：方法：比较光照前后谱图是否有变化，变化的程度如何。比较光照前后谱图是否有变化，变化的程度如何。u 例例1 紫外光对聚丙烯酸甲酯的降解紫外光对聚丙烯酸甲酯的降解u例例2：聚偏氯乙

48、烯降解反应随时间的变化：聚偏氯乙烯降解反应随时间的变化 辐射交联辐射交联u交联的定义：交联的定义：高分子链之间形成新的键，使之成为网状结构高分子的反高分子链之间形成新的键，使之成为网状结构高分子的反应。交联分为化学交联、光交联及辐照交联。应。交联分为化学交联、光交联及辐照交联。u交联度的定义：交联度的定义：表征骨架性能的参数表征骨架性能的参数，是指交联剂在反应物中所占的质量，是指交联剂在反应物中所占的质量分数。分数。辐射交联信息的获得利用了共轭辐射交联信息的获得利用了共轭 电子体系中的电子体系中的*跃迁。跃迁。这种这种*跃迁在跃迁在XPS的谱图上表现为在的谱图上表现为在C1s的高结合能端的高结

49、合能端（约（约67eV）出现振激峰。）出现振激峰。振激峰的强度随辐射剂量的增加而明显下降。振激峰的强度随辐射剂量的增加而明显下降。振激峰越弱，交联度越高振激峰越弱，交联度越高。图图7-42 振激峰的相对强度与振激峰的相对强度与辐射剂量关系的辐射剂量关系的C1s的的XPS谱谱辐射剂量辐射剂量Sv:a:0;b:46.38;c:85.11;d:140.76;e:259.7 有机物界面反应有机物界面反应u方法：测反应前后某一元素结合能的变化。方法：测反应前后某一元素结合能的变化。u例子：例子：XPS在分子筛方面的应用在分子筛方面的应用u判断分子筛的类型判断分子筛的类型u分子筛中各阳离子的交换度分子筛中

50、各阳离子的交换度u体相体相Si/Al 比比u分子筛的纯度分子筛的纯度u分子筛的酸性质分子筛的酸性质Si2p判断分子筛的类型Binding energy /ev分子筛中各阳离子的交换度Al2p分子筛的纯度酸性质酸性质 Si/Al比越高，比越高，O1S的结合能越大。这是由于的结合能越大。这是由于SiO2中中O1S的结合能为的结合能为532.8ev，Al2O3为为530.8ev。因此。因此O1S的结合的结合能越大意味着酸量越少，酸强度增大。能越大意味着酸量越少，酸强度增大。Pd催化剂在含氮有机化合物体系中失活前后的XPS谱图催化剂中毒h紫外紫外(真空真空)光电子能谱光电子能谱hX射线光电子能谱射线光