电子能谱XPS实验报告

实验报告
电子能谱实验
实验报告
一、 实验名称 电子能谱实验 二、 实验目的
（1） 了解X 光电子能谱（XPS ）测量原理、仪器工作结构及应用； （2） 通过对选定的样品实验，初步掌握XPS 实验方法及谱图分析。

三、 实验原理
在现代材料分析中，表面问题是材料研究中很重要的部分。

尤其是在微型材料、超薄 材料、薄膜材料和材料的表面处理等，都离不开表面科学。

而X 光电子能谱（简称XPS ）则是一项重要的表面分析方法。

一定能量的X 光作用到样品上，将样品表面原子中的不同能级的电子激发成为自由电子，这些电子带有样品表面信息，具有特征能量，研究这类电子的能量分布，即为X 光电子能谱分析。

（1）光电发射
在具体介绍XPS 原理时，先介绍光电发射效应。

光电发射是指，在轨道上运动的电子收到入射的光子的激发而由发射出去成为自由电子的过程。

对于固体样品光电发射的能量关系如下：
'b k sa E h E νφ=--（固体）（1）
其中b E 为相对于费米能级的结合能，h ν为光子的能量，'k E 为光电子的动能，sa φ为样品的功函数。

光电发射示意图如下：
原子能级结合能b E 对于原子来说是特征的，具有特异性，可以用它来标识原子及原子能级。

由样品发射的光电子最终将会被探测器俘获，对于探测器有如下能量关系：
b k sp E h E νφ=--（探测器）（2）
式中，sp φ为探测器的功函数。

如下图所示：
（二）化学位移
XPS 在进行定量分析的时候，有一项很重要的应用就是化学态分析，其中包括化学位移和化学能移。

化学位移是指由于原子处于不同的化学环境而引起的结合能的位移（b E ∆）。

如化合过程+X+Y=X Y -，X 、Y 因电子的转移引起结合能的变化。

相应的电子能谱也会发生改变，通过这种方法，还可以区别同一类原子处于何种能态，这为表面分析提供了很大的便利。

（三）X 光电子能谱仪原理示意图
如下图所示，由X 射线源发出的X 射线入射到样品表面，激发出自由光电子。

光电子经过半球形能量分析器后被探测器吸收。

探测器将光电子的所携带的信息转化为电信号，由示波器收集并在电脑中显示出来。

XPS 测量原理示意图
X 光电子能谱仪结构示意图
具体的构造方框图如下：
光电发射过程、能量关系、化学位移等。

（四）X 光电子能谱仪的特点
X 光电子能谱仪采用的是X 光作为入射光源，是一种对样品具有非破坏性的分析手段。

能进行化学态分析，并且有明确的化学位移。

同时，它还具有表面灵敏度高的特点，对样品要求不高，有机物、无机物，样品导电、不导电都可以进行测量分析。

四、 实验步骤
（1） 制备样品并放入靶台（实验采用Al 靶，X 光能量为1486.6eV ）； （2） 进行宽城扫描；
（3） 对特定的能谱区域进行窄程扫描； （4） 报告测量结果；
（5） 标定谱峰能量位置，并进行元素标定。

五、 实验结果及分析
（1） 谱峰识别
进行宽程扫描之后，得到一系列的谱峰。

通过查询Al 的ακX 射线的元素结合能，可以 标定各谱峰，见下表。

谱峰位置（eV ） 284.56
532.08
99.19
99.89
101.85
（2） 化合物和含量分析
由图中具体的谱峰面积可以进行化合物组分和含量的分析，见下表。

由此可知，样品为单质硅，但是表面被污染，污染物有O 和C 。

（3） 对Si 的谱峰进行了窄程扫描，可以认为地进行分波。

所分波的总数为四，有峰 强高度依次为Si2p3、Si2p1、Si ScanB3、背景。

六、 习题
（1） 比较XPS 和AES 原理和分析方法上主要的特征。

答：1.XPS 通过X 射线照射样品，将样品表面原子中不同能级的电子激发成自由电子。

这些电子带有样品表面信息，具有特征能量，并且动能与激发源的能量有关。

而AES 的入射源为电子。

入射的电子和样品作用，可以激发出原子内层的电子。

外层电子向内层跃迁过程中所释放的能量又使核外另一个电子激发成为自由电子，这种自由电子就是俄歇电子。

而俄歇电子的能量分布谱即为AES 。

与XPS 的很大不同是，俄歇电子的动能与入射源能量无关。

2.XPS 旨在研究这类电子的能量分布，从而进行元素种类的标定，元素含量的定量测量，原子化学态的分析，并能够分析表面状态和薄膜厚度。

AES 分为两种谱——积分谱和微分谱。

与XPS 相似，通过对图谱进行标定和定量分析，能够标定元素种类和计算元素的含量，并且能够分析化学态。

另外，XPS 和AES 所给出的都是样品表面的二维信息。

（2）在XPS 实验中，怎样区分谱图上的光电子峰和俄歇峰。

在XPS 实验中，通过切换Mg 靶和Al 靶能够对光电子峰和俄歇峰进行区分。

（3）用Al ακ（hv=1486.6eV ）和Mg ακ（hv=1253.6eV ）激发Cu2p 的光电子动能相同吗？Cu2p 3/2和Cu2p 1/2的结合能分别约为933eV 和953eV ，请计算功能值。

信号电子（动能大于200eV ）的非弹性散射平均自由程λ满足经验公式=0.1*E /[(ln )]k k a E b λ+（单位nm ），其中E k 为逸出光电子的动能（以eV 为单位），取常数10, 2.3a b ==-。

定义逸出深度
3d λ=，请计算上述Cu2p 光电子的逸出深度，并作比较。

答：1.因为光源能量不同，因此各自激发的Cu2p 光电子的动能不同。

2.由于题中未给定Cu 样品的功函数，因此认为是指对单原子进行求解，即功函数为0. 根据公式可以'b k sa E h E νφ=--计算得出：
3.对于Cu2p 轨道，光电子的逸出深度由给定的公式计算出结果如下表：
从中可知，随着入射光源能量的减小，光电子的逸出深度迅速衰减。

（4） 为什么说XPS 是一种表面分析方法？试列举出2种表面分析方法，并作比较。

答：1.如（3）中所计算的逸出深度，只有几个纳米的大小，这意味着大于逸出深度的电子无法逃出样品而被仪器探测到。

因此它是一种表面分析技术。

XPS 所给出的信息都是关于表面原子的信息。

2.其他表面分析方法有AES （已在题目（1）中进行了比较）。

STM 也是一种广泛的应用的表面分析方法。

通过量子遂穿原理，STM 仪器利用加有偏压的针尖采集样品表面的信息。

STM 可以非常直观地观察样品表面的原子排布情况，这是和XPS 和AES 最大的不同点。

（5）解释XPS 中的化学位移，如何测定样品的化学位移。

答：由于原子处于不同的化学环境而引起的结合能的位移称为化学位移。

化学位移在XPS 谱图中表现为在化学位移为零的能量峰附近会出现一个额外的峰值。

通过计算机标定即可测得该额外的峰值的偏移量，偏移量的大小即为化学位移的大小。