XPS基本原理幻灯片
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XPS仪器及基础分析讲义ppt课件
➢ 当元素处于化合物状态时，与纯元素相比，电子的 结合能有一些小的变化，称为化学位移，表现在电 子能谱曲线上就是谱峰发生少量平移。测量化学位 移，可以了解原子的状态和化学键的情况。
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19
XPS的应用
➢结构分析
有机结构分析 表面分析 生物大分子结构分析 高分子结构分析 催化剂表面分析 环境污染物结构分析
➢ 深度剖析不仅能给出元素的深度分布，同时也能给 出某一元素的化学状态随深度变化的情况．这种情 况能反映出一些钝化膜主要成分的性质与抗腐能力 的关系．
➢ 下面以A1—Cu合金材料表画钝化膜的深度剖析研究为例， 介绍一下XPS深度剖析在合金材料表面膜深度剖析中的应用.
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25
可编辑课件PPT
➢电子检测系统及基于PC机或工作站的服务性 数据处理系统，两者同时控制谱仪成
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7
➢图14画出了X射线光电子能谱仪的基本组成 部分。谱仪的作用过程是：产生很强的X射线， 照射样品使内层电子产生光致发射，把发射 的电子引入能量分析器，探测经过能量分析 的电子，并输出一个与电子结合能呈函数关 系的信号。
➢ 如果需要深度分布信息，那么最好是方法本身就具 有深度分析能力。然而，如要测量产生微弱信号的 痕量物质．那么，在一个不随实验时间变化的表面 上能够取得信号的平均值大概就是非常可贵的了。 当实在要求深度分布信息时，可以使用带有溅射装 置的化学分析光电子能谱。为某一特殊应用选择实 验方法时，总耍考虑由它们组合起来的一些折衷方 案。
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17
化学位移效应
➢需指出的是，除了由于原子周围的化学环境 的改变引起光电子峰位移外，样品的荷电效 应同样会影响谱峰位移，从而影响电子结合 能的正确测量。
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19
XPS的应用
➢结构分析
有机结构分析 表面分析 生物大分子结构分析 高分子结构分析 催化剂表面分析 环境污染物结构分析
➢ 深度剖析不仅能给出元素的深度分布，同时也能给 出某一元素的化学状态随深度变化的情况．这种情 况能反映出一些钝化膜主要成分的性质与抗腐能力 的关系．
➢ 下面以A1—Cu合金材料表画钝化膜的深度剖析研究为例， 介绍一下XPS深度剖析在合金材料表面膜深度剖析中的应用.
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25
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➢电子检测系统及基于PC机或工作站的服务性 数据处理系统，两者同时控制谱仪成
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7
➢图14画出了X射线光电子能谱仪的基本组成 部分。谱仪的作用过程是：产生很强的X射线， 照射样品使内层电子产生光致发射，把发射 的电子引入能量分析器，探测经过能量分析 的电子，并输出一个与电子结合能呈函数关 系的信号。
➢ 如果需要深度分布信息，那么最好是方法本身就具 有深度分析能力。然而，如要测量产生微弱信号的 痕量物质．那么，在一个不随实验时间变化的表面 上能够取得信号的平均值大概就是非常可贵的了。 当实在要求深度分布信息时，可以使用带有溅射装 置的化学分析光电子能谱。为某一特殊应用选择实 验方法时，总耍考虑由它们组合起来的一些折衷方 案。
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17
化学位移效应
➢需指出的是，除了由于原子周围的化学环境 的改变引起光电子峰位移外，样品的荷电效 应同样会影响谱峰位移，从而影响电子结合 能的正确测量。
《XPS分析价态》课件
N1s峰的峰位范围通常在390-450 eV之间，对应着不同的氮原子环 境。
XPS在表面分析、催化剂和纳米材料研究中 的应用
XPS在表面分析中的应用
利用XPS，科学家可以分析表面 化学键的成分和性质，以及其 纳米级别的结构特征。与其他 表面分析技术相比，XPS能够提 供更高的表面化学分辨率。
XPS在催化剂研究中的应 用
XPS数据的解释和统计
XPS数据的解释和统计是对测量结果进行 处理和分析的过程，包括能级分布曲线的 绘制和数据峰值分析等。
常见的XPS谱线和特点
• 典型的XPS谱线包括O1s、C1s、N1s、F1s等。不同元素的XPS谱线将有不同的特点，例如O1s和C1s的主 要峰位分别是在530eV和285eV。
通过价态分析，科学家可以更好地理解材料的 性能和效率，并针对性地改进和提高它们的性 能和效率。Βιβλιοθήκη XPS测量过程和数据处理技术
1
XPS测量过程
首先，样品需要制备成薄片或平坦表面，
XPS仪器的原理和构成
2
其次，将其放置在真空室中进行测量。
XPS仪器由X射线源、准直器、样品架、能
谱仪和电子倍增器等组成。
3
《XPS分析价态》PPT课件
欢迎来到《XPS分析价态》的演示。这份PPT课件将介绍XPS和价态分析的原理、 应用、数据处理技术和数据解析等内容。让我们一起探索这个令人着迷的领 域。
什么是XPS？
XPS是什么？
XPS是将样品置于真空室中，利用 能量较高的电子束激发样品表面 原子，然后分析材料表面的元素 和化学键的性质的一种表面分析 技术。
总结和展望
XPS分析价态的未来发展趋 势
未来，随着XPS成本的进一步降 低和技术的进一步完善，XPS将 成为表面分析领域的重要工具。
XPS在表面分析、催化剂和纳米材料研究中 的应用
XPS在表面分析中的应用
利用XPS，科学家可以分析表面 化学键的成分和性质，以及其 纳米级别的结构特征。与其他 表面分析技术相比，XPS能够提 供更高的表面化学分辨率。
XPS在催化剂研究中的应 用
XPS数据的解释和统计
XPS数据的解释和统计是对测量结果进行 处理和分析的过程，包括能级分布曲线的 绘制和数据峰值分析等。
常见的XPS谱线和特点
• 典型的XPS谱线包括O1s、C1s、N1s、F1s等。不同元素的XPS谱线将有不同的特点，例如O1s和C1s的主 要峰位分别是在530eV和285eV。
通过价态分析，科学家可以更好地理解材料的 性能和效率，并针对性地改进和提高它们的性 能和效率。Βιβλιοθήκη XPS测量过程和数据处理技术
1
XPS测量过程
首先，样品需要制备成薄片或平坦表面，
XPS仪器的原理和构成
2
其次，将其放置在真空室中进行测量。
XPS仪器由X射线源、准直器、样品架、能
谱仪和电子倍增器等组成。
3
《XPS分析价态》PPT课件
欢迎来到《XPS分析价态》的演示。这份PPT课件将介绍XPS和价态分析的原理、 应用、数据处理技术和数据解析等内容。让我们一起探索这个令人着迷的领 域。
什么是XPS？
XPS是什么？
XPS是将样品置于真空室中，利用 能量较高的电子束激发样品表面 原子，然后分析材料表面的元素 和化学键的性质的一种表面分析 技术。
总结和展望
XPS分析价态的未来发展趋 势
未来，随着XPS成本的进一步降 低和技术的进一步完善，XPS将 成为表面分析领域的重要工具。
XPS仪器及基础分析讲义 ppt课件
Eb＝hν-Ec-Ws
可见，当入射X射线能量一定后，若测出功函数和电子的动 能，即可求出电子的结合能。由于只有表面处的光电子才能 从固体中逸出，因而测得的电子结合能必然反应了表面化学 成份的情况。这正是光电子能谱仪的基本测试原理。
ppt课件
5
仪器组成
一台X射线光电子能谱仪(简称XPS能谱仪)由 下列几部分组成：真空室及与其相联的抽气 系统；样品引进和操作系统；X射线源；电 子能量分析器及与其相联的输入(或传输)电 子光学透镜系统；电子检测系统及基于PC机 或工作站的服务性数据处理系统。
(4)进行应用研究和基础研究的真空条件；
(5)化学位移效应。
现就这些问题讨论如下，重点是比较化学分
析光电子能谱法同其它方法的相同点和不同
点。
ppt课件
9
可以认为化学分析光电子能谱法是一种非破 坏性的方法，因为用来激发光电子能谱的X 射线束对多数材料没有什么损坏，特别是同 那些靠离子或电子轰击表面的分析方法相比 更是如此。
如果需要深度分布信息，那么最好是方法本身就具 有深度分析能力。然而，如要测量产生微弱信号的 痕量物质．那么，在一个不随实验时间变化的表面 上能够取得信号的平均值大概就是非常可贵的了。 当实在要求深度分布信息时，可以使用带有溅射装 置的化学分析光电子能谱。为某一特殊应用选择实 验方法时，总耍考虑由它们组合起来的一些折衷方 案。
ppt课件
3
XPS的主要特点是它能在不太高的真空度下
进行表面分析研究，这是其它方法都做不到 的。当用电子束激发时，如用AES法，必须 使用超高真空，以防止样品上形成碳的沉积 物而掩盖被测表面。X射线比较柔和的特性 使我们有可能在中等真空程度下对表面观察 若干小时而不会影响测试结果。
可见，当入射X射线能量一定后，若测出功函数和电子的动 能，即可求出电子的结合能。由于只有表面处的光电子才能 从固体中逸出，因而测得的电子结合能必然反应了表面化学 成份的情况。这正是光电子能谱仪的基本测试原理。
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5
仪器组成
一台X射线光电子能谱仪(简称XPS能谱仪)由 下列几部分组成：真空室及与其相联的抽气 系统；样品引进和操作系统；X射线源；电 子能量分析器及与其相联的输入(或传输)电 子光学透镜系统；电子检测系统及基于PC机 或工作站的服务性数据处理系统。
(4)进行应用研究和基础研究的真空条件；
(5)化学位移效应。
现就这些问题讨论如下，重点是比较化学分
析光电子能谱法同其它方法的相同点和不同
点。
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9
可以认为化学分析光电子能谱法是一种非破 坏性的方法，因为用来激发光电子能谱的X 射线束对多数材料没有什么损坏，特别是同 那些靠离子或电子轰击表面的分析方法相比 更是如此。
如果需要深度分布信息，那么最好是方法本身就具 有深度分析能力。然而，如要测量产生微弱信号的 痕量物质．那么，在一个不随实验时间变化的表面 上能够取得信号的平均值大概就是非常可贵的了。 当实在要求深度分布信息时，可以使用带有溅射装 置的化学分析光电子能谱。为某一特殊应用选择实 验方法时，总耍考虑由它们组合起来的一些折衷方 案。
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3
XPS的主要特点是它能在不太高的真空度下
进行表面分析研究，这是其它方法都做不到 的。当用电子束激发时，如用AES法，必须 使用超高真空，以防止样品上形成碳的沉积 物而掩盖被测表面。X射线比较柔和的特性 使我们有可能在中等真空程度下对表面观察 若干小时而不会影响测试结果。
XPS方法原理与仪器分析 ppt课件
1、根据光电子的能量，确定样品表面存在的元素；
2、根据光电子的数量，确定元素在表面的含量；
3、X射线束在表面扫描，可以测得元素在表面的分布；
4、采用离子枪溅射及变角技术，得到元素在深度方向的分布；
5、根据不同化学环境下光电子峰位移动、峰型、峰间距变化，
获得化学信息；
ppt课件
3
横坐标为结合能，纵坐标为
SP
SP和S分别是谱仪和样品的功函数 ppt课件
2
光电子的特征性
当一束光子辐照到样品表面时，光子可以被样品中某一元素的 原子轨道上的电子所吸收→电子脱离原子核的束缚，以一定的 动能从原子内部发射出来→自由的光电子；对于特定的单色激 发源和特定的原子轨道，其光电子的能量是特征的→其光电子 的能量仅与元素的种类和所电离激发的原子轨道有关；
五、超真空系统：防气体覆盖、能量损失—三级真空泵联用：机械泵 +分子泵+溅射离子泵—钛升华泵；
六、其他附件：荷电中和枪；离p子pt课枪件 ；
7
•表面、界面成分分析能力
* 较好的元素价态分析能力
化学位移分析：由于元素所处化学环境不同，内层电子的
轨道结合能也不同；通过测得元素的结合能和化学位移，鉴 定元素的化学价态；
其中 为光子的频率，EB 是内层电子的轨道结
合能，EK 是被入射光子所激发出的光电子的动 能。实际的X射线光电子能谱仪中的能量关系。
其中以真空能级算起的结合能即
E
V B
h
EK
( SP
S)
EBV与以Fermi能级算起的结合能EBF间有
E
V B
E
F B
S
因此有：E
F B
《现代分析XPS》课件
XPS未来的发展
1
技术发展趋势
展望XPS技术的未来，如高通量XPS、原位XPS和时间分辨XPS。
2
研究前景
探索XPS在不同领域的前景，如能源材料、纳米技术和生物医学诊断。
总结
1 优缺点总结
2 研究中的意义
总结XPS的优点和挑战， 为科学家和研究人员提 供全面的评估。
强调XPS在科学研究中 的重要性，为解决实际 问题提供有力支持。
3 应用前景
展望XPS在材料科学、 化学和生物医学领域的 广阔应用前景。
现代分析XPS PPT课件
介绍现代分析XPS的课件，深入浅出地介绍X射线光电子能谱（XPS）的原理、 技术细节、应用以及未来的发展趋势。
简介
XPS是什么？为什么需要XPS？了解X射线光电子能谱的基本概念和它在材料研 究、化学研究和生物医学研究中的重要性。
XPS基础
1 原理
深入探索XPS的原理， 了解光子与材料之间的 相互作用过程。
2 优点
发现XPS的优点，如高 灵敏度、高分辨率和无 需标记样品。
3 挑战
探讨XPS存在的挑战， 如表面污染和杂质对信 号的影响。
XPS技术细节
样品制备
详细介绍XPS样品制备的步骤 和技术，确保获得准确和可 重复的数据。
仪器特点
探讨XPS仪器的关键特点，如 X射线源、光电子能谱仪和能 量分辨探测器。
数据处பைடு நூலகம்方法
介绍处理XPS数据的方法，包 括能级校正、数据拟合和元 素定量分析。
XPS在实验中的应用
材料研究
探索XPS在材料研究中的广泛应用，如表面分析、界面反应和薄膜研究。
化学研究
揭示XPS在化学研究中的重要性，如催化剂研究、化学反应动力学和表面电化学。
XPS原理及分析(参考课件)
– 同心半球分析器CHA：两半球 间的电势差产生1/r2的电场，只 有选定能量的电子才能到达出口。
• 前面放置一透镜或栅极→电 子减速→电子动能可选定在 一预设值（通道能量）提 高灵敏度
课件学习
19
半球形电子能量分析器
Eb eV / c
c ( r2 r1 ) r1 r2
改变ΔV便可选择不同的EK， 如果在球形电容器上加一个扫 描电压，会对不同能量的电子 具有不同的偏转作用，从而把 能量不同的电子分离开来。
课件学习
1 x射线源 – 样品台 – 电子能量分析器 – 电子探测和倍增器 – 数据处理与控制 – 真空系统
核心部件：激发源； 能量分析器；和电子 探测器
课件学习
16
仪器说明
仪器名称：X射线光电子能谱仪 产品型号：Kratos AXIS Ultra DLD 生产厂家：日本岛津-KRATOS公司
课件学习
17
1. x射线源： • 要求：
– 能量足够激发芯电子层；
– 强度产生足够的光电子通量；
– 线宽（决定XPS峰的半高宽FWHM）尽量窄；
• Mg、Al源 – Mg Ka；Al Ka – Mg/Al双阳极x射线源
课件学习
18
2. 电子能量分析器：核心部 件
• 2种结构：
– 筒镜分析器CMA：点传输率很 高，有很高信噪比。XPS为提高 分辨率，将2个同轴筒镜串联
X射线光电子能谱分析
课件学习
1
一、概述
• X射线光电子谱是重要的表面分析技术之一。它 不仅能探测表面的化学组成，而且可以确定各元 素的化学状态，因此，在化学、材料科学及表面 科学中得以广泛地应用。
• X射线光电子能谱是瑞典Uppsala大学K.Siegbahn 及其同事经过近20年的潜心研究而建立的一种分 析方法。他们发现了内层电子结合能的位移现象， 解决了电子能量分析等技术问题，测定了元素周 期表中各元素轨道结合能，并成功地应用于许多 实际的化学体系,K.Siegbahn因此获1981诺贝尔 奖。
• 前面放置一透镜或栅极→电 子减速→电子动能可选定在 一预设值（通道能量）提 高灵敏度
课件学习
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半球形电子能量分析器
Eb eV / c
c ( r2 r1 ) r1 r2
改变ΔV便可选择不同的EK， 如果在球形电容器上加一个扫 描电压，会对不同能量的电子 具有不同的偏转作用，从而把 能量不同的电子分离开来。
课件学习
1 x射线源 – 样品台 – 电子能量分析器 – 电子探测和倍增器 – 数据处理与控制 – 真空系统
核心部件：激发源； 能量分析器；和电子 探测器
课件学习
16
仪器说明
仪器名称：X射线光电子能谱仪 产品型号：Kratos AXIS Ultra DLD 生产厂家：日本岛津-KRATOS公司
课件学习
17
1. x射线源： • 要求：
– 能量足够激发芯电子层；
– 强度产生足够的光电子通量；
– 线宽（决定XPS峰的半高宽FWHM）尽量窄；
• Mg、Al源 – Mg Ka；Al Ka – Mg/Al双阳极x射线源
课件学习
18
2. 电子能量分析器：核心部 件
• 2种结构：
– 筒镜分析器CMA：点传输率很 高，有很高信噪比。XPS为提高 分辨率，将2个同轴筒镜串联
X射线光电子能谱分析
课件学习
1
一、概述
• X射线光电子谱是重要的表面分析技术之一。它 不仅能探测表面的化学组成，而且可以确定各元 素的化学状态，因此，在化学、材料科学及表面 科学中得以广泛地应用。
• X射线光电子能谱是瑞典Uppsala大学K.Siegbahn 及其同事经过近20年的潜心研究而建立的一种分 析方法。他们发现了内层电子结合能的位移现象， 解决了电子能量分析等技术问题，测定了元素周 期表中各元素轨道结合能，并成功地应用于许多 实际的化学体系,K.Siegbahn因此获1981诺贝尔 奖。
XPS原理及分析ppt课件
• 扫描时间长 • 通过能小 • 扫描步长小 • 扫描期间几十电子伏特内 • 以强光电子线为主 – 得到的是谱线的精细结构：
• 离子价态分析：
– 铜红玻璃与CuO不相似； – 铜红玻璃与CuCl相似
• 在给定壳层的能级上， l 电子能量略
– 磁量子数ml :决定电子云在空间的伸展方 向(取向)；
• 给定l 后， ml 取+l 和-l 之间的任何整数， ml ＝l, l-1, …, 0, -1, …, - l ；
• 若l =0，则ml =0；若l =1，则ml =1,0,-1。
– 自旋量子数ms :表示电子绕其自身轴的旋 转取向；与上述3个量子数无关。
A、光电子线 最强的光电子线常常是谱图中强度最大、峰宽最小、对称性
最好的谱峰，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。
Ti及TiO2中2p3/2峰的峰位及2p1/2和2p3/2之间的距离
B、俄歇线
– 原子中的一个内层电子光致 电离射出后，内层留下一空 穴，原子处于激发态。激发 态离子要向低能转化而发生 驰豫；驰豫通过辐射跃迁释 放能量。
Co－Ni－Al多层磁带材料
耗时36h
XPS：应用
• 表面全元素分析 （全谱）：
– 存在：Ti, O, Si, C;
– Si的来源，可能：
• 涂层太薄（<10nm） • 热处理使基体扩散
→涂层变薄
– C的来源，可能：
• 溶胶 • 谱仪油污染碳
二氧化钛涂层玻璃 （溶胶－凝胶）
• 表面窄区谱分析：
– 分谱分析或高分辨谱分析 – 特点：
XPS：定性分析方法
• 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；
• 离子价态分析：
– 铜红玻璃与CuO不相似； – 铜红玻璃与CuCl相似
• 在给定壳层的能级上， l 电子能量略
– 磁量子数ml :决定电子云在空间的伸展方 向(取向)；
• 给定l 后， ml 取+l 和-l 之间的任何整数， ml ＝l, l-1, …, 0, -1, …, - l ；
• 若l =0，则ml =0；若l =1，则ml =1,0,-1。
– 自旋量子数ms :表示电子绕其自身轴的旋 转取向；与上述3个量子数无关。
A、光电子线 最强的光电子线常常是谱图中强度最大、峰宽最小、对称性
最好的谱峰，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。
Ti及TiO2中2p3/2峰的峰位及2p1/2和2p3/2之间的距离
B、俄歇线
– 原子中的一个内层电子光致 电离射出后，内层留下一空 穴，原子处于激发态。激发 态离子要向低能转化而发生 驰豫；驰豫通过辐射跃迁释 放能量。
Co－Ni－Al多层磁带材料
耗时36h
XPS：应用
• 表面全元素分析 （全谱）：
– 存在：Ti, O, Si, C;
– Si的来源，可能：
• 涂层太薄（<10nm） • 热处理使基体扩散
→涂层变薄
– C的来源，可能：
• 溶胶 • 谱仪油污染碳
二氧化钛涂层玻璃 （溶胶－凝胶）
• 表面窄区谱分析：
– 分谱分析或高分辨谱分析 – 特点：
XPS：定性分析方法
• 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；
XPS基本原理PPT课件
•28.03.2024
•11
两种模型
原子势能模型：
EB = Vn + Vv
Vn--核势 Vv--价电子排斥势
电荷势模型：
•28.03.2024
•12
三.原子能级的划分
➢ 原子中单个电子的运动状态可以用量子数n，
ι ， m ,1 m l
➢ n：主量子数（表示电子层）
1,2,3……即K,L,M……
ι： 角量子数（决定电子云形状）
•15
四.电子结合能
➢ (1)一个自由原子或者离子的结合能，等于 将此电子从所在的能级转移到无限远处所 需要的能量
(2)对于固体材料，电子的结合能定义为把 电子从所在的能级转移到费米能级
•28.03.2024
•16
E F 是费米能级。固体样
品通过样品台同仪器室接
触良好，并且一同接地。
因此，它们具有相同的费 米能级
•28.03.2024
•8
电 离 过 程
X 荧 光 过 程
俄 歇 过 程
•28.03.2024
•9
二.结合能与化学位移 结合能：初态原子和终态原子间能量的简单差 EB = Ef(n-1) – Ei(n)
初态效应：光电发射之前原子的基态对结合能的影响
化学位移：原子因所处化学环境不同而引起的内壳层 电子结合能变化在谱图上表现为谱峰的位移
EK = hν − EB 结合能定义：
•28.03.2024
•5
电离过程——hν → A+* + e−
1 光电离有别于光吸收或发射的共振跃迁,超过电离的阈值能量的 光子能够引起同样的电离过程过量的能量将传给电子以动能的 形式出现
2 光电子强度正比于整个过程发生的几率（后者常称为电离截面σ）
《XPS分析价态》课件
读。
03
XPS价态分析实例
金属氧化物的价态分析
总结词
金属氧化物的价态分析是XPS应用的重要领域之一，通过XPS分析可以确定金属氧化物的元素组成和化学态。
详细描述
XPS技术可以检测到金属氧化物中金属元素和氧元素的电子结构和化学键合状态，从而确定金属氧化物的价态。 例如，铁的氧化物Fe2O3和Fe3O4的价态可以通过XPS分析得到准确鉴定。
半导体材料的价态分析
总结词
半导体材料的价态分析是XPS在材料科学 领域的重要应用之一，通过XPS分析可以 了解半导体的电子结构和能带结构。
VS
详细描述
XPS技术可以检测到半导体材料中元素组 成和化学态，从而确定半导体的价态和能 带结构。例如，硅和锗的价态可以通过 XPS分析得到准确鉴定，这对于研究半导 体的光电性能和电子传输特性具有重要意 义。
XPS技术的发展经历了多个阶段，包括从早期的单色光源 到现在的多色光源，从早期的单能分析到现在的宽范围能 谱分析等。随着技术的不断进步，XPS的分辨率和灵敏度 也在不断提高，使得该技术在更多领域得到应用。
02
XPS价态分析方法
价态分析的基本概念
价态分析
通过对物质表面元素不同化学环境下的电子结构 进行分析，研究元素在特定环境下的化学状态。
实验操作
将样品置于X射线源下， 记录不同元素在不同化学 环境下的电子结合能数据 。
价态分析的解析方法
谱峰拟合
01
对实验获得的谱峰进行拟合，分离出不同化学环境下的元素信
号。
化学位移计算
02
根据实验数据计算元素的化学位移，并对比标准数据进行价态
判断。
结果解读
03
结合实验数据和化学位移计算结果，对元素价态进行分析和解
相关主题
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原子化学环境：一、指与它相结合的元素种类和数量不同
二、指原子具有不同的化学价态
（初态效应是化学位移的主要原因）例1：
Al0 EB(2p)=72.7eV Al+3 EB(2p)=74.7eV
ΔEB=2ev
18.06.2020
11
例2：
三氟醋酸乙 酯中C1s轨 道电子结合 能位移
聚合物中碳C 1s 轨道电子结合能大小顺序 C−C < C−O <C=O < O−C=O < O−(C=O)−O
X射线光电子能谱(XPS)
19th.NOV.2013
18.06.2020
1
目录
➢光电效应 ➢结合能与化学位移 ➢原子能级的划分 ➢电子结合能 ➢终态效应
18.06.2020
2
一.光电效应
光电发射
一个光子撞击一个原子将发生以下其中之一：
18.06.2020
光子无相互作用地穿过
光子被原子的轨道电子散射导 致部分能量损失（康普顿散射）
ĤΨi=EiΨi
(原子中i电子的本征薛定谔方程)
当hv>EB时
光子hv撞击n电子系统后，使系统由基态跃迁到激发态：
hv撞击
初态
原子波函数Ψi(n) 能量Ei(n)
终态 离子波函数Ψf(n-1,k)
能量Ef(n-1,k)
自由 光电子
EK
18.06.2020
5
光电效应能量变化关系：
A + hν → A+* + e− 由能量守衡:
18.06.2020
12
两种模型
原子势能模型：
EB = Vn + Vv
Vn--核势 Vv--价电子排斥势
电荷势模型：
18.06.2020
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三.原子能级的划分
➢ 原子中单个电子的运动状态可以用量子数n，
ι ， m ,1 m l
➢ n：主量子数（表示电子层）
1,2,3……即K,L,M……
ι： 角量子数（决定电子云形状）
2 光电子强度正比于整个过程发生的几率（后者常称为电离截面σ）
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弛豫过程——二次过程(secondary process)
终态离子(A+*) 高激发态
自发发生
稳定状态
1 X荧光过程(辐射弛豫)
A+*→A++hv′ (特征X射线)
2 俄歇过程(非辐射弛豫)
A+* → A++* + e− (分立能量—Auger)
光子与轨道电子相互作用 把光子能量全部传给电子导致 电子从原子中发射（XPS）
我们讨论这个
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光电效应
before collision
after collision
γ
hy
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M
M+
e-
E
M tot
E energies
M
tot
EK
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光电效应能量变化关系：
原子中的电子被束缚在不同的量子化能级上：
注：对于ι ＝0，j＝1/2。s轨道不发生分裂对于 ι >0，则j＝ ι ＋½或者ι －½。其他轨道均分裂为两个能 级：在XPS谱图中出现双峰。
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例：Ag原子的 3d5/2，3d3/2
S能级的内量子 数j=½ 通常省略。 C 1s能级没有分 裂，用C1s表示
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(二)弛豫效应 电子弛豫：电子出射
体系平衡场破坏
其余轨道的电 子将作重新调整， 电子轨道半径收缩
或膨胀
弛豫过程大体和光电发射同时进行，所以弛豫使 出射的光电子加速提高了光电子动能。
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(三)震激
因内层形成空位，原子中心电位发生突然变化将引起外壳电子跃迁
s,p,d,f
m 1:磁量子数(决定电子云伸展方向) m l :自旋量子数
与上述3个量子数无 关，取＋½ 或者－ ½ 。
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XPS谱图分析中原子能级表示方法
例： 3 d 5 2 3代表主量子数(n) d代表角量子数（l）
右下角分数代表内量子数（j）
j|l1/2|
l为角量子数 0，1, 2, 3……
2 光电子强度正比于整个过程发生的几率（后者常称为电离截面σ）
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电离过程——一次过程 (Primary process)
光电离: A + hν → A+* + e−
1 光电离有别于光吸收或发射的共振跃迁,超过电离的阈值能量的 光子能够引起同样的电离过程过量的能量将传给电子以动能的 形式出现
Ei(n) + hν= Ef(n-1,k) + EK
EK = hν − EB 结合能定义：
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电离过程——一次过程 (Primary process)
光电离: A + hν → A+* + e−
1 光电离有别于光吸收或发射的共振跃迁,超过电离的阈值能量的 光子能够引起同样的电离过程过量的能量将传给电子以动能的 形式出现
W‘是仪器的功函 数，一般在4eV左 右，已知。
18引起的各种激发产
生的不同体系终态对电子结合能的影响
能量损失峰 弛豫现象
鬼峰
激震（震激/震离）
分类
多重分裂
俄歇峰
终态效应
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（一）能量损失峰
光电子的能量损失谱峰是由于光电子在穿过样品表面时同原子 （分子）发生非弹性碰撞、损失能量后在谱图上出现的伴峰。
(俄歇电子能量并不依赖于激发源的能量和类型)
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电 离 过 程
X 荧 光 过 程
俄 歇 过 程
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二.结合能与化学位移 结合能：初态原子和终态原子间能量的简单差 EB = Ef(n-1) – Ei(n)
初态效应：光电发射之前原子的基态对结合能的影响
化学位移：原子因所处化学环境不同而引起的内壳层 电子结合能变化在谱图上表现为谱峰的位移
a:外层电子跃迁到更高能级，则称为电子的震激(shake-up) b:外层电子跃过到非束缚的连续区而成为自由电子，则称为电子的震离(shake-off)
Ne震荡和震离示意图过程
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Ne的1s上 一电子已 被激发， 一个2p上 电子被激 发到3p或 被激发成 自由电子。 则在XPS 上形成震 荡和震离 峰
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（四）多重分裂：当原子或者自由离子的价壳层上拥有未成对的自
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四.电子结合能
➢ (1)一个自由原子或者离子的结合能，等于 将此电子从所在的能级转移到无限远处所 需要的能量
(2)对于固体材料，电子的结合能定义为把 电子从所在的能级转移到费米能级
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E F 是费米能级。固体样
品通过样品台同仪器室接
触良好，并且一同接地。
因此，它们具有相同的费 米能级