光电子能谱分析
X射线光电子能谱分析方法及原理(XPS)
半导体工业
晶体缺陷分析、界面性质研究 等。
环境科学
大气污染物分析、土壤污染研 究等。
X射线光电子能谱分析的优缺点
1 优点
提供元素化学状态信息、非破坏性分析、高表面敏感性。
2 ห้องสมุดไป่ตู้点
样品需真空处理、分析深度有限、昂贵的设备和维护成本。
总结和展望
X射线光电子能谱分析是研究材料表面的有力工具。未来，随着仪器和技术的 不断进步，XPS将在更多领域发挥重要作用。
X射线光电子能谱分析方 法及原理(XPS)
X射线光电子能谱分析(XPS)是一种表面分析技术，通过测量材料的X射线光 电子能谱来研究材料的电子结构和化学组成。
X射线光电子能谱分析的基本 原理
XPS基于光电效应，探测材料与X射线相互作用所放出的光电子。通过测量光 电子能量和强度，可以推断材料表面元素的化学态。
X射线光电子能谱分析的仪器和实验设备
XPS仪器
包含X射线源、光电子能谱仪 和数据处理系统。
电子枪
产生高能电子束，用于激发材 料表面。
光电子能谱仪
测量光电子的能量和角度，用 于分析材料的电子结构。
X射线光电子能谱分析的样品准备方法
1 表面清洗
去除杂质和氧化层，以确保准确测量。
2 真空处理
在超高真空条件下进行实验，避免气体影响。
3 固定样品
使用样品架或夹具将样品固定在仪器中。
X射线光电子能谱分析的数据处理和解 析方法
峰面积计算
根据光电子峰的面积计算元素含量。
能级分析
通过分析光电子的能级分布，推断材料的化学状态。
谱峰拟合
将实验谱峰与已知标准进行拟合，确定元素的化学态和含量。
X射线光电子能谱分析的应用领域
X射线光电子能谱分析法
X射线光电子能谱分析法X射线光电子能谱分析法（XPS）是一种常用的表面分析技术，它通过测量材料表面的X射线光电子能谱来研究材料的化学组成、表面形貌以及表面电子结构等信息。
XPS技术具有高表面分辨率、高化学分辨率和宽能量范围等优点，被广泛应用于材料科学、表面科学和界面科学等领域。
下面将详细介绍XPS的原理、仪器结构、测量步骤以及应用。
XPS的原理：XPS基于光电效应，即当光子与物质相互作用时，能够使物质中的电子获得足够的能量从而被抛出。
通过测量被抛出的光电子的能量以及其强度，可以得到材料表面的各种信息。
XPS谱图由两个平行的轴表示，一个是电子能量轴，用来表示光电子的能量，另一个是计数轴，用来表示光电子的强度。
XPS的仪器结构：XPS的典型仪器结构包括光源、透镜系统、分析室、光电子能谱仪、多道分析器和检测器等部分。
其中，光源产生具有特定能量和强度的X射线，透镜系统用于聚焦X射线到样品表面，分析室用于保持真空环境，并可进行样品的表面清洁和预处理，光电子能谱仪用于测量光电子能谱，多道分析器用于对光电子的能量进行分析，检测器用于测量光电子的强度。
XPS的测量步骤：1.样品表面处理：对于有机材料，样品表面可能存在有机污染物，需要通过加热或离子轰击等方法进行表面清洁。
对于无机材料，一般不需要进行表面处理。
2.真空抽取：将样品放入真空室中，并进行抽取，以保证测量时的真空环境。
3.光源和透镜系统调节：调节光源的能量和透镜系统的聚焦，使其能够产生精确的X射线束。
4.测量样品表面：将样品置于X射线束中，测量样品表面的X射线光电子能谱。
5.数据分析：对测量得到的光电子能谱进行分析，得到材料的化学组成、表面形貌以及表面电子结构等信息。
XPS的应用：1.表面化学组成分析：XPS可以确定材料表面的元素组成和化学状态，对于催化剂、薄膜材料等具有重要意义。
2.表面形貌研究：通过测量不同位置的XPS谱图，可以了解材料表面的形貌特征，如晶体结构、晶粒尺寸等。
光电子与光子的能谱分析研究
光电子与光子的能谱分析研究光电子与光子的能谱分析研究是一门研究光子和光电子的能量分布和相互作用的学科。
它不仅在物理学领域有着重要的研究价值，而且在应用领域也有广泛的应用前景。
一、光电子能谱分析光电子能谱分析是一种利用光电效应测量物质的电子能量分布的方法。
通过照射物质表面的光子，将能量转化为电子，然后将电子能量分布转化为能谱。
利用能谱可以研究物质的电子结构、元素组成以及表面形貌等信息。
光电子能谱分析在材料科学、化学、生物医学等领域有着广泛的应用。
例如，在材料科学研究中，通过能谱可以研究材料的能带结构和界面态，为材料的设计和制备提供重要依据。
在生物医学领域，光电子能谱分析可以用于研究生物分子的光电响应特性，为新药研发和生物分析提供帮助。
二、光子能谱分析光子能谱分析是一种通过测量光子的能量分布来研究物质特性的方法。
通过照射物质并测量散射的光子能量和强度，可以获得物质的光子能谱。
光子能谱可以用于研究物质的能级结构、电子激发态和相互作用等信息。
光子能谱分析在光谱学、红外光谱学等领域有着广泛的应用。
例如，在光谱学研究中，通过测量物质散射的光子能量和强度，可以确定物质的能级布局和激发态的特征，为光谱分析提供重要依据。
在红外光谱学领域，通过测量红外光子的能谱，可以研究物质的分子振动和转动特性，为分子结构和化学键的鉴定提供帮助。
三、光电子与光子的相互作用光电子和光子的相互作用是光电子与光子能谱分析研究的基础。
当光子入射到物质表面时，会激发物质上的电子，将光子的能量转化为电子的动能。
通过测量电子的动能和强度，可以研究光子和物质的相互作用过程。
光电子与光子的相互作用可以通过多种方法来研究。
例如，通过调节光子的波长和强度，可以实现对光电子能谱的调控和研究。
此外，利用光子的脉冲宽度和相干性等特征，可以研究光子的相互作用时间和方式，为光电子与光子的能谱分析提供更多的信息。
结语光电子与光子的能谱分析研究是一门前沿的学科，对推动科学技术的发展具有重要意义。
光电子能谱分析法基本原理
光电子能谱分析法基本原理(总12页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--第十四章 X-射线光电子能谱法14．1 引言X-射线光电子谱仪（X-ray Photoelectron Spectroscopy，简称为XPS），经常又被称为化学分析用电子谱（Electron Spectroscopy for Chemical Analysis，简称为ESCA），是一种最主要的表面分析工具。
自19世纪60年代第一台商品化的仪器开始，已经成为许多材料实验室的必不可少的成熟的表征工具。
XPS发展到今天，除了常规XPS外，还出现了包含有Mono XPS (Monochromated XPS, 单色化XPS，X射线源已从原来的激发能固定的射线源发展到利用同步辐射获得X射线能量单色化并连续可调的激发源), SAXPS ( Small Area XPS or Selected Area XPS, 小面积或选区XPS，X射线的束斑直径微型化到6μm) 和iXPS（imaging XPS, 成像XPS）的现代XPS。
目前，世界首台能量分辨率优于1毫电子伏特的超高分辨光电子能谱仪（通常能量分辨率低于1毫电子伏特）在中日科学家的共同努力下已经研制成功，可以观察到化合物的超导电子态。
现代XPS拓展了XPS的内容和应用。
XPS是当代谱学领域中最活跃的分支之一，它除了可以根据测得的电子结合能确定样品的化学成份外，XPS最重要的应用在于确定元素的化合状态。
XPS可以分析导体、半导体甚至绝缘体表面的价态，这也是XPS的一大特色，是区别于其它表面分析方法的主要特点。
此外，配合离子束剥离技术和变角XPS技术，还可以进行薄膜材料的深度分析和界面分析。
XPS表面分析的优点和特点可以总结如下：⑴固体样品用量小，不需要进行样品前处理，从而避免引入或丢失元素所造成的错误分析⑵表面灵敏度高，一般信息采样深度小于10nm⑶分析速度快，可多元素同时测定⑷可以给出原子序数3-92的元素信息，以获得元素成分分析⑸可以给出元素化学态信息，进而可以分析出元素的化学态或官能团⑹样品不受导体、半导体、绝缘体的限制等⑺是非破坏性分析方法。
X射线光电子能谱(XPS)谱图分析
一、X光电子能谱分析的基本原理X光电子能谱分析的基本原理：一定能量的X光照射到样品表面，和待测物质发生作用，可以使待测物质原子中的电子脱离原子成为自由电子。
该过程可用下式表示：hn=Ek+Eb+Er （1）其中:hn：X光子的能量；Ek：光电子的能量；Eb：电子的结合能；Er：原子的反冲能量。
其中Er很小，可以忽略。
对于固体样品，计算结合能的参考点不是选真空中的静止电子，而是选用费米能级，由内层电子跃迁到费米能级消耗的能量为结合能Eb，由费米能级进入真空成为自由电子所需的能量为功函数Φ，剩余的能量成为自由电子的动能Ek，式(1)又可表示为：hn=Ek+Eb+Φ（2） Eb=hn-Ek-Φ（3）仪器材料的功函数Φ是一个定值，约为 4 eV，入射X光子能量已知，这样，如果测出电子的动能Ek，便可得到固体样品电子的结合能。
各种原子，分子的轨道电子结合能是一定的。
因此，通过对样品产生的光子能量的测定，就可以了解样品中元素的组成。
元素所处的化学环境不同，其结合能会有微小的差别，这种由化学环境不同引起的结合能的微小差别叫化学位移，由化学位移的大小可以确定元素所处的状态。
例如某元素失去电子成为离子后，其结合能会增加，如果得到电子成为负离子，则结合能会降低。
因此，利用化学位移值可以分析元素的化合价和存在形式。
二、电子能谱法的特点(1)可以分析除H和He以外的所有元素；可以直接测定来自样品单个能级光电发射电子的能量分布，且直接得到电子能级结构的信息。
(2)从能量范围看，如果把红外光谱提供的信息称之为“分子指纹”，那么电子能谱提供的信息可称作“原子指纹”。
它提供有关化学键方面的信息，即直接测量价层电子及内层电子轨道能级。
而相邻元素的同种能级的谱线相隔较远，相互干扰少，元素定性的标识性强。
(3)是一种无损分析。
(4)是一种高灵敏超微量表面分析技术，分析所需试样约10-8g即可，绝对灵敏度高达10-18g，样品分析深度约2nm。
X射线光电子能谱分析(XPS)
第18章X射线光电子能谱分析18.1 引言固体表面分析业已发展为一种常用的仪器分析方法，特别是对于固体材料的分析和元素化学价态分析。
目前常用的表面成分分析方法有：X射线光电子能谱（XPS）, 俄歇电子能谱(AES)，静态二次离子质谱(SIMS)和离子散射谱(ISS)。
AES 分析主要应用于物理方面的固体材料科学的研究，而XPS的应用面则广泛得多，更适合于化学领域的研究。
SIMS和ISS由于定量效果较差，在常规表面分析中的应用相对较少。
但近年随着飞行时间质谱（TOF-SIMS）的发展，使得质谱在表面分析上的应用也逐渐增加。
本章主要介绍X射线光电子能谱的实验方法。
X射线光电子能谱（XPS）也被称作化学分析用电子能谱（ESCA）。
该方法是在六十年代由瑞典科学家Kai Siegbahn教授发展起来的。
由于在光电子能谱的理论和技术上的重大贡献，1981年，Kai Siegbahn获得了诺贝尔物理奖。
三十多年的来，X射线光电子能谱无论在理论上和实验技术上都已获得了长足的发展。
XPS已从刚开始主要用来对化学元素的定性分析，业已发展为表面元素定性、半定量分析及元素化学价态分析的重要手段。
XPS的研究领域也不再局限于传统的化学分析，而扩展到现代迅猛发展的材料学科。
目前该分析方法在日常表面分析工作中的份额约50%，是一种最主要的表面分析工具。
在XPS谱仪技术发展方面也取得了巨大的进展。
在X射线源上，已从原来的激发能固定的射线源发展到利用同步辐射获得X射线能量单色化并连续可调的激发源；传统的固定式X射线源也发展到电子束扫描金属靶所产生的可扫描式X射线源；X射线的束斑直径也实现了微型化，最小的束斑直径已能达到6μm大小, 使得XPS在微区分析上的应用得到了大幅度的加强。
图像XPS技术的发展，大大促进了XPS在新材料研究上的应用。
在谱仪的能量分析检测器方面，也从传统的单通道电子倍增器检测器发展到位置灵敏检测器和多通道检测器，使得检测灵敏度获得了大幅度的提高。
X射线光电子能谱分析法
X射线光电子能谱分析法X射线光电子能谱分析法（X-ray photoelectron spectroscopy，XPS）是一种非常重要的表面分析技术，广泛应用于材料科学、化学、表面物理、生物技术和环境科学等领域。
本文将对X射线光电子能谱分析法进行详细介绍，包括基本原理、仪器分析系统和应用领域。
一、基本原理X射线光电子能谱分析法是利用X射线照射固体表面，使其产生光电子信号，并通过测量光电子的动能和数量，来确定样品表面的化学成分及其状态。
其主要基于光电效应（photoelectric effect）和X射线物理过程。
光电效应是指当光子入射到固体物质表面的时候，会将表面电子激发到导带或导带以上的能级上，并逃离固体形成受激电子。
这些逃逸的电子称为光电子，其动能与入射光子的能量有关。
X射线物理过程主要包括光子的透射、散射和与原子内电子的相互作用等。
当X射线入射到固体表面时，会发生漫反射和荧光特性，造成信号的背景噪声。
同时，X射线的能量足够高，可以与样品的内层电子发生作用，如光电子相对能谱（Photoelectron RELative Energies）和化学平移分量（Chemical Shift）等。
二、仪器分析系统X射线光电子能谱分析系统包括光源、样品室、分析仪和检测器等。
光源常用的是具有较窄X射线能谱线宽的准单色X射线源，如AlKα线或MgKα线。
样品室的真空度一般要达到10^-8Pa左右，以避免空气对样品的干扰。
分析仪是用于测量光电子动能和数量的关键部件，常见的配备有放大器、电子能谱仪和角度分辨收集器等。
放大器将来自检测器的信号放大，并进行滤波处理以滤除高频噪声。
电子能谱仪是用于测量光电子动能的装置，一般包括一个径向入射、自由运动的光电子束和一个动能分析系统。
角度分辨收集器则用于测量光电子的角度分布。
检测器用于测量光电子的数量，常见的有多种类型的二极管（如能量分辨二极管和多道分析器）和面向瞬态X射线源的时间分辨仪器。
X射线光电子能谱分析
X射线光电子能谱分析X射线光电子能谱分析（X-ray photoelectron spectroscopy，简称XPS）是一种用来表征材料表面元素化学状态和电子能级分布的表征技术。
它利用X射线照射材料表面，测量和分析材料表面光电子的能谱，通过分析能谱图可以得到有关材料的化学组成、表面化学键的种类和键长、元素的电子与核心电子之间的相互作用等信息。
本文将对X射线光电子能谱分析技术的原理、仪器设备及应用领域进行详细介绍。
X射线光电子能谱分析的原理可以用以下几个步骤来概括：首先，用X射线照射材料表面，激发材料表面的原子和分子。
然后，从激发的原子和分子中发射出光电子。
这些光电子的能量与产生它们的原子或分子的能级差有关。
最后，测量和分析这些光电子的能谱，从而得到材料表面的化学组成和电子能级分布信息。
为了进行X射线光电子能谱分析，需要使用专门的仪器设备，包括X射线源、能量分辨光电子能谱仪和电子能谱仪。
X射线源通常使用非常亮的单晶或多晶X射线管。
光电子能谱仪用来测量光电子的能谱，并将所获得的信号转化为能谱图。
电子能谱仪则用来检测、放大和记录电子能谱图。
X射线光电子能谱分析可以在多个领域应用，具有广泛的研究意义和实际应用价值。
在材料科学领域，它可以用来表征材料表面的成分和化学状态，研究材料的性质和行为；在表面科学领域，它可以研究表面的形貌和变化，探索表面的特性和反应；在催化剂和材料化学领域，它可以分析催化剂的表面状态和反应过程；在电子器件和光学器件领域，它可以研究界面和界面化学反应的机理等。
总结起来，X射线光电子能谱分析是一种非常重要的表征技术，可以提供关于材料表面的成分、化学状态和电子能级分布等信息。
通过XPS技术，可以探索材料的性质、表面的形貌以及材料的化学反应机理等，对于材料科学、表面科学、催化剂和电子光学器件等领域的研究和应用具有重要意义。
X射线光电子能谱分析
X射线光电子能谱分析X射线光电子能谱（X-ray photoelectron spectroscopy, XPS）是一种重要的表面分析技术，广泛应用于物质表面成分、电子态和化学状态的研究。
本文将从XPS的原理、仪器构成、数据分析以及应用等方面进行详细介绍。
XPS原理基于光电效应，即当材料表面受到X射线照射后，光电子从表面脱离。
这些脱离的光电子具有一定的动能，其动能与被照射材料的原子核和电子状态相关。
通过测量脱离光电子的动能和相应的能谱，可以获得材料表面的成分和电子结构等信息。
XPS仪器通常由X射线源、光学系统、光电子能谱仪以及数据采集与分析系统组成。
X射线源通常采用非常纯净的铝或镁，通过加热产生X射线，其能量通常在0.5-2.5 keV范围内。
光学系统将X射线聚焦在材料表面，使其与表面相互作用。
此外，还需要一个真空系统以及样品调节装置，以保证实验过程的可靠性。
在光电子能谱仪中，光电子在进入光学透镜之后，通过缝隙进入光谱学荧光屏，其中光电子会击中荧光屏产生荧光，然后荧光被光电二极管或者多道采集系统接收。
通过测量光谱的能量分布，可以得到XPS的能谱图像。
数据采集与分析系统用于处理和分析得到的XPS数据。
根据样品组成和光电子的能量分布，可以识别和测量各种元素的化学状态和含量。
此外，还可以通过能级分别效应等技术，研究材料的表面电子结构和化学键性质。
XPS在材料科学和表面化学等领域具有广泛的应用。
首先，XPS被广泛应用于材料表面组分分析。
通过测量光电子的能量分布，可以确定元素的存在和相对含量，从而判断材料的组成。
其次，XPS可以提供元素的化学状态信息，即原子与其他元素的化学键类型和性质。
这对于研究各种材料的界面和表面反应具有重要意义。
此外，XPS还可以通过研究表面电荷分布和电子能带结构等信息，研究材料的电子结构与性质。
总结来说，X射线光电子能谱是一种重要的表面分析技术，可以提供材料的组分、化学状态以及电子结构等信息。
光电子能谱分析法基本原理
光电子能谱分析法基本原理光电子能谱分析法（Photoelectron Spectroscopy，简称PES）是一种常用的表征材料的表面化学成分和电子结构的技术手段。
它利用光电效应，通过测量电子从材料表面逸出时的动能来分析材料的电子结构。
PES的基本原理是根据光电效应，当光照射到金属或半导体表面时，光子与金属或半导体表面原子或分子发生相互作用，将部分能量转移给表面电子。
如果光子的能量大于电子的束缚能，则电子可以从材料表面逸出，形成光电子。
PES实验装置通常由以下几个部分组成：光源、光电样品、能量分辨光电子能谱仪和电子能量分析器。
光源通常选择高能紫外光源，因为紫外光具有较高的能量，能够满足电子逸出的需求。
光源产生的光经过透镜系统聚焦在样品表面。
样品由所要研究的物质构成，它可以是单晶、多晶、薄膜等形式。
光电样品的选择要根据具体的实验目的来确定。
能量分辨光电子能谱仪用于检测通过逸出的光电子信号，并将其转化为电信号。
电子能量分析器用于测量光电子的能量，并提供电子能谱。
在实验中，光子通过与表面原子或分子相互作用，将其能量转移给电子，使电子克服束缚势能逸出表面。
逸出电子的动能与初级光子的能量差有关：E_kin = hν - Φ其中，E_kin是逸出电子的动能，h是普朗克常数，ν是光子的频率，Φ是材料的逸出功。
逸出电子的动能与所施加的电场强度有关。
通过控制电场强度，可以调节电子的动能，进而对应不同的束缚能级进行分析。
PES实验中的光电子能谱提供了关于材料中电子的能量分布和态密度的丰富信息。
通过分析能谱图，可以确定材料的能带结构、元素组成、原子价态等重要参数。
例如，能谱图中的峰值对应不同能级的电子逸出，峰的位置和峰的强度可以揭示材料的能带结构和电子填充态。
同时，通过测定PES中的峰的位置和强度的变化，还可以研究材料的电子结构在外界条件变化下的响应和调控。
总结起来，光电子能谱分析法基于光电效应，通过测量光子与材料表面原子或分子的相互作用，进而测量逸出电子的动能，来研究材料的电子结构和化学成分。
X射线光电子能谱分析
一、X射线光电子能谱的测量原理X射线光电子能谱（X-ray photoelectron Spectroscopy，简称XPS）也就是化学分析用电子能谱（Electron Spectroscopy for Chemical Analysis，简称ESCA），它是目前最广泛应用的表面分析方法之一，主要用于成分和化学态的分析。
用单色的X射线照射样品，具有一定能量的入射光子同样品原子相互作用，光致电离产生了光电子，这些光电子从产生之处输运到表面，然后克服逸出功而发射，这就是X射线光电子发射的三步过程。
用能量分析器分析光电子的动能，得到的就是x射线光电子能谱。
根据测得的光电子动能可以确定表面存在什么元素以及该元素原子所处的化学状态，这就是x射线光电子谱的定性分析。
根据具有某种能量的光电子数量，便可知道某种元素在表面的含量，这就是x射线光电子谱的定量分析。
为什么得到的是表面信息呢？这是因为：光电子发射过程的后两步，与俄歇电子从产生处输运到表面然后克服逸出功而发射出去的过程是完全一样的，只有深度极浅范围内产生的光电子，才能够能量无损地输运到表面，用来进行分析的光电子能量范围与俄歇电子能量范围大致相同。
所以和俄歇谱一样，从X射线光电子谱得到的也是表面的信息，信息深度与俄歇谱相同。
如果用离子束溅射剥蚀表面，用X射线光电子谱进行分析，两者交替进行，还可得到元素及其化学状态的深度分布，这就是深度剖面分析。
X射线电子能谱仪、俄歇谱仪和二次离子谱仪是三种最重要的表面成分分析仪器。
X射线光电子能谱仪的最大特色是可以获得丰富的化学信息，三者相比，它对样品的损伤是最轻微的，定量也是最好的。
它的缺点是由于X射线不易聚焦，因而照射面积大，不适于微区分析。
不过近年来这方面已取得一定进展，分析者已可用约100 μm直径的小面积进行分析。
最近英国VG公司制成可成像的X射线光电子谱仪，称为“ESCASCOPE”，除了可以得到ES-CA谱外，还可得到ESCA像，其空间分辨率可达到10μm，被认为是表面分析技术的一项重要突破。
电子行业X射线光电子能谱分析
电子行业X射线光电子能谱分析1. 引言在电子行业中，X射线光电子能谱分析技术被广泛应用于材料表面成分分析、薄膜厚度测量以及材料电子结构研究等领域。
本文将介绍X射线光电子能谱分析的原理、仪器设备及其在电子行业中的应用。
2. 原理X射线光电子能谱分析是通过照射材料表面的X射线束来激发材料中的原子产生光电子，然后通过能谱仪器来分析和检测这些光电子的能量分布情况。
其基本原理可简单分为三个步骤：激发、发射和分析。
2.1 激发X射线束照射到材料表面后，会与材料中的原子发生相互作用。
其中一个主要过程是光电效应，即X射线光子被原子的内层电子吸收并将其击出成为光电子。
这个过程中，吸收光子的能量等于内层电子的束缚能。
2.2 发射原子内层电子被击出后，会形成空位。
其他外层的电子会跃迁填充这些空位，并释放出能量。
其中一种能量释放的方式是通过发射光电子。
经过能量守恒定律的计算，可以得到光电子的能量与原子的束缚能之间的关系。
2.3 分析通过光电子能谱仪器，可以测量并记录光电子的能量。
根据能谱的分析，可以得到材料中各元素的成分、化学状态以及材料的电子结构等信息。
常用的能谱仪器有X射线光电子能谱仪（XPS）和角色谱仪。
3. 仪器设备X射线光电子能谱分析需要使用专用的仪器设备，主要包括：1.X射线光电子能谱仪（XPS）：用于产生X射线束、照射到材料表面并测量光电子的能量。
XPS仪器通常包含X射线发射系统、分析室、能量分辨系统和数据采集系统等部分。
2.能谱仪器：用于测量和分析光电子的能谱信息。
常见的能谱仪器有圆盘状能谱仪、柱状能谱仪以及角色谱仪等。
4. 应用X射线光电子能谱分析在电子行业中有广泛的应用，主要包括以下几个方面：4.1 表面成分分析X射线光电子能谱分析可以用于表面成分的定性和定量分析。
通过测量光电子的能谱，可以获得材料表面的元素组成、含量以及化学状态等信息。
这对于材料研发、产品质量控制以及表面处理等方面具有重要意义。
4.2 薄膜厚度测量电子行业中常常使用薄膜作为制造材料。
X射线光电子能谱分析分析
一、X射线光电子能谱的测量原理X射线光电子能谱（X-ray photoelectron Spectroscopy，简称XPS）也就是化学分析用电子能谱（Electron Spectroscopy for Chemical Analysis，简称ESCA），它是目前最广泛应用的表面分析方法之一，主要用于成分和化学态的分析。
用单色的X射线照射样品，具有一定能量的入射光子同样品原子相互作用，光致电离产生了光电子，这些光电子从产生之处输运到表面，然后克服逸出功而发射，这就是X射线光电子发射的三步过程。
用能量分析器分析光电子的动能，得到的就是x射线光电子能谱。
根据测得的光电子动能可以确定表面存在什么元素以及该元素原子所处的化学状态，这就是x射线光电子谱的定性分析。
根据具有某种能量的光电子数量，便可知道某种元素在表面的含量，这就是x射线光电子谱的定量分析。
为什么得到的是表面信息呢？这是因为：光电子发射过程的后两步，与俄歇电子从产生处输运到表面然后克服逸出功而发射出去的过程是完全一样的，只有深度极浅范围内产生的光电子，才能够能量无损地输运到表面，用来进行分析的光电子能量范围与俄歇电子能量范围大致相同。
所以和俄歇谱一样，从X射线光电子谱得到的也是表面的信息，信息深度与俄歇谱相同。
如果用离子束溅射剥蚀表面，用X射线光电子谱进行分析，两者交替进行，还可得到元素及其化学状态的深度分布，这就是深度剖面分析。
X射线电子能谱仪、俄歇谱仪和二次离子谱仪是三种最重要的表面成分分析仪器。
X射线光电子能谱仪的最大特色是可以获得丰富的化学信息，三者相比，它对样品的损伤是最轻微的，定量也是最好的。
它的缺点是由于X射线不易聚焦，因而照射面积大，不适于微区分析。
不过近年来这方面已取得一定进展，分析者已可用约100 μm直径的小面积进行分析。
最近英国VG公司制成可成像的X射线光电子谱仪，称为“ESCASCOPE”，除了可以得到ES-CA谱外，还可得到ESCA像，其空间分辨率可达到10μm，被认为是表面分析技术的一项重要突破。
X射线光电子能谱分析
Eb
0k时固体能带中充 满电子旳最高能级
hv Ek Eb 功函数
为预防样品上正电荷积累，固体样品必须保持和谱仪旳良 好电接触，两者费米能级一致。样品与仪器触电电位差。
实际测到旳电子动能为：
Ek' Ek (sp s ) hv Eb sp
Eb hv Ek' sp
仪器功函数
hv Ek Eb 功函数来自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，相应每一种终态，在图谱上将有一条谱 线。
配位体相同步，多重分裂与未成对电子数正有关。多重 分裂谱线能量差与配位体离子电负性有关，能够用于 判断价态。
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 在图谱上出现旳伴峰。
§7.1 电子能谱旳基本原理
基本原理就是光电效应。 在高于某特定频率旳电磁波照射下，物质内部旳电 子会被光子激发出来即光生电。
自由原子旳光电效应能量关系
hv Ek Eb
对孤立原子或分子， Eb 就是把
电子从所在轨道移到真空需旳 能量，是以真空能级为能量零 点旳。
对固体样品，必须考虑晶体势场和表面势场对光电子 旳束缚作用，一般选用费米(Fermi)能级为参照点。
第七章 电子能谱
X-射线光电子能谱仪，是一种表面分析技术， 主要用来表征材料表面元素及其化学状态。 基本原理:使用X-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， 利用能量分析器，测量光电子动能， 根据BE.bE=hhvv-KE.Ek' -W.spF进而得到激发电子旳结合能 。
我们就是为了得到样品旳结合能！
能量分析器
电子能量分析器其作用是探测样品发射出来旳不同 能量电子旳相对强度。它必须在高真空条件下工作 即压力要低于10-3帕，以便尽量降低电子与分析器 中残余气体分子碰撞旳几率。
X射线光电子能谱分析方法及原理
X射线光电子能谱分析方法及原理X射线光电子能谱分析方法及原理(XPS)，是一种表面分析技术，也被称为电子能谱电子分析(ESCA)。
它是利用光电效应原理，通过测量物质表面的电子能谱，来研究物质的化学成分和性质。
该方法广泛应用于材料科学、表界面科学、固体表面物理、化学和生物科学等领域。
XPS方法的基本原理是：将样品暴露在高真空条件下，用X射线激发样品表面的电子，测量被激发的电子的能量和强度分布，从而获得样品表面的电子能谱。
X射线能量通常在1-2keV范围内，这使得只有表面层的电子被激发出来，从而实现对表面层的分析。
通过测量不同材料或不同样品位置的电子能谱，可以得到物质的化学成分以及化学键，原子的价态和表面状态等相关信息。
XPS技术的核心设备是X射线源、光电子能谱仪和数据分析装置。
X射线源通常采用镁、铝或不锈钢等作为材料，并通过电子轰击产生恒定的X射线。
光电子能谱仪主要由光学系统、分析室、检测器和数据采集系统组成。
光学系统负责将X射线束聚焦并入射样品表面，使其发生光电效应；分析室通过光学镜片将发射的光电子分散，并通过电场聚焦和能量滤波器选择出特定能量范围的光电子；检测器通过电荷放大和信号处理将光电子信号转化为电信号，再通过数据采集系统进行记录和分析。
XPS方法的实验操作流程主要包括样品准备、真空抽取和射线照射、测量光电子能谱和数据分析。
样品准备过程包括清洗、磨光和放置在高真空环境中等步骤，以确保样品表面的纯净和平坦度。
真空抽取和射线照射是为了消除空气中的气体和杂质，并确保光电子能谱的准确测量。
测量光电子能谱时，可以通过调整X射线源的功率和选择不同的分析参数，来获得不同深度的电子能谱。
数据分析过程主要包括光电子峰的识别和拟合，以及数据的定量和定性分析。
XPS方法具有高灵敏度、高空间分辨率和广泛的表面化学信息获取能力等优点，因此被广泛应用于材料科学、表界面科学和生物医学科学等领域。
它不仅可以用来研究表面物理和化学过程，还可以用来研究各种材料的电子结构、化学键和表面功能化修饰等。
第五章光电子能谱分析
232.2eV MoO2
强度
233.9eV 235.6eV
结合能
第五章
光电子能谱分析
二、固体表面相的研究
1、表面污染分析
由于对各个元素在XPS中都会有各自的特征 光谱，如果表面存在C、O或其它污染物质， 会在所分析的物质XPS光谱中显示出来，加 上XPS表面灵敏性，就可以对表面清洁程度 有个大致的了解； 如图是Zr样品的XPS图谱，可以看出表面存 在C、O、Ar等杂质污染。
例如：I和Cl 见图5－13
第五章
光电子能谱分析
第三节 光电子能谱实验技术
一、光电子能谱仪 有三部分构成：激发源、能量分析器、电子监测器。
K 1和K 2 能量差小） 1、激发源：特征X射线（要求线宽小，
原因：电子能谱分析的分辨率由3个因素决定。
E E E E
2 2 X 2 样
第五章
光电子能谱分析
第五章
光电子能谱分析
俄歇电子产额
俄歇电子和X荧光产生几率是互相关联和竞 争的，对于K型跃迁：
K K 1 K — 荧光产额， K — 俄歇电子产额
俄歇电子产额随原子序数的变化如图。
对于Z14的元素，采用KLL电子来鉴定； 对于Z>14的元素，采用LMM电子较合适； 对于Z42的元素，选用MNN和MNO电子为佳。
分子及固体的电子态 成份、原子及电子态 原子态 原子态 结构 原子及电子态、结构 原子态 成份
I e
角分辨光电子谱 光子诱导脱附 俄歇电子能谱
e－电子 －光子
I－离子 见P273 表5-1
第五章
光电子能谱分析
5光电子能谱分析
h Ek' Eb ' Eb h Ek' '
由于Φ’是谱仪的功函数，与样品无关，是固定值， 一的般X射仪线器能的量功，函也数是约已4e知V，的即，是于已是知只的要。在h实ν是验实中E验k测' 时得选光用电 子的动能，就可以计算Eb了。
3 XPS的仪器Instrumentation for XPS
9.2
1263.1
5.1
1271.0
0.8
1274.2
0.5
1302.0
2.0
Al 靶
能量(eV)
相对强度
1486.7
67.0
1486.3
33.0
1492.3
1.0
1496.3
7.8
1498.2
3.3
1506.5
0.42
1510.1
0.28
1557.0
2.0
❖X射线光电子谱仪
➢ 作为X射线光电子谱仪的激发源，希望其强度大、单色性好。
率高，可以作包括H元素的成分分析，而且还可以分析同位素。 （2）紫外光电子能谱（UPS）
激发源：紫外光 发射源（信号）：价电子 （3）俄歇电子能谱（AES) 激发源：电子、X射（XPS）又称电子能 谱化学分析（ESCA： Electron Spectroscopy for Chemical Analysis ））
1 激发光源——X射线（软X射线；Mg Kα : hv = 1253.6 eV； Al Kα : hv = 1486.6 eV）或UV；
2 电子能量分析器-对应上述能量的分析器，只可能是表面 分析；
3 高真空系统：超高真空腔室super-high vacuum chamber （ UHV避免光电子与气体分子碰撞的干扰。
俄歇电子能谱分析光电子能谱
❖ X射线光电子能谱仪
XPS一般由激发源、样品台、电子能量分析器、 检测系统以及超高真空系统等部分组成。
X射线源
X射线源由灯丝及阳极靶等组成，作用是产生特征X 射线。
因为光电子的动能取决于入射X射线的能量及电子的 结合能，因此，最好用单色X射线源，否则轫致辐射和 X射线的“伴线”均会产生光电子，对光电子谱产生干 扰，造成识谱困难。为此采用X射线单色器。
(12-2)
如果测得俄歇谱中所有存在元素（A, B, C, …N） 的相对灵敏度因子，则A元素的原子百分浓度可由下 式计算：
CA
IA /SA
N
(I j/S j )
j A
(12-3)
❖ 俄歇电子能谱仪的应用
从自由能的观点来看，不同温度和加工条件下材料内 部某些合金元素或杂质元素在自由表面或内界面(例如晶 界)处发生偏析，以及它们对于材料性能的种种影响、早 巳为人们所猜测或预料到了。
超高真空系统
钢在550℃左右回火时的脆性、 难熔金属的晶界脆断、镍基合 金的硫脆、不锈钢的脆化敏感 性、结构合金的应力腐蚀和腐 蚀疲劳等等，都是杂质元素在 晶界偏析引起脆化的典型例子。 引起晶界脆性的元素可能商S、 P、Sb、Sn、As、O、Te、Si、 CI、I等，有时它们的平均含量 很低 ，但在晶界附近的几个原 于层内浓度竞富集到10 ~ 104倍。
俄歇峰的这一现象正好与光电子的情况相反。对 于光电子峰，在以结合能为横坐标的的XPS谱线全图 中，其位置不会因X射线激发源的改变而发生变动。 显然，利用这一点，在区分光电子与俄歇谱线有困 难时，利用换靶的方法就可以区分出光电子峰和俄 歇峰。
X射线伴峰和鬼峰 X射线伴峰产生的原因是：在用于辐射的X射线中，
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双阳极X 双阳极X射线源示意图
2. 快速进样室
目的：在不破坏分析室超高真空的情况下能实现快速进样。
3. 超高真空系统
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、使样品室和分析 器保持一定的真空 度，以便使样品发 射出来的电子的平 均自由程相对于谱 仪的内部尺寸足够 大，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。 损失信号强度。 2、降低活性残余气体的分 压。因在记录谱图所必需的 时间内， 时间内，残留气体会吸附到 样品表面上， 样品表面上，甚至有可能和 样品发生化学反应， 样品发生化学反应，从而影 响电子从样品表面上发射并 产生外来干扰谱线。 产生外来干扰谱线。 298K吸附一层气体分子所需时间
4. 使用XPS可以进行成像分析
XPS能谱可以进行材料的定性分析、定量分 析、价态分析、深度剖析、指纹峰分析、 小面积分析以及XPS图像分析。
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7.1.4 样品的制备
• 一般只能对固体样品进行分析。 • 由于样品需要在超高真空中传递和分析， 一般都需要经过一定的预处理：样品的大 小，粉体样品的处理，挥发性样品的处理， 表面污染样品，带有微弱磁性的样品的处 理。
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2. XPS图谱可以表征化学位移 图谱可以表征化学位移
• 因原子所处化学环境不同，使 原子芯层电子结合能发生变化， 则X射线光电子谱谱峰位置发 生移动，称之为谱峰的化学位 移。 • 如图所示为带有氧化物钝化层 的Al的2p光电子能谱图 • 由图可知，原子价态的变化导 致A1的2p峰位移。
图 A1的2p 电子能谱的化学位移
ห้องสมุดไป่ตู้ 9
1.Ｘ 1.Ｘ射线源
XPS中最常用的 射线源主要 中最常用的X射线源主要 中最常用的 由灯丝、阳极靶虑窗构成。 由灯丝、阳极靶虑窗构成。
要获得高分辨谱图和减少伴 峰的干扰， 峰的干扰，可以采用射线单 色器来实现。 色器来实现。即用球面弯曲 的石英晶体制成， 的石英晶体制成，能够使来 自X射线源的光线产生衍射和 射线源的光线产生衍射和 聚焦” “聚焦”，从而去掉伴线和 韧致辐射，并降低能量宽度， 韧致辐射，并降低能量宽度， 提高谱仪的分辨率。 提高谱仪的分辨率。
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紫外光电子能谱的原理
1. 共有14个峰； 2. 对应于氢分子离子 的各个振动能级； 3. 各个峰之间的距离 与理论计算所得的 结果很一致． 4. 根据振动精细结构 可以得到氢分子离 子的振动频率． 5. 用高分辨的紫外光 电子能谱在个别情 况下已能显示出转 动结构
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样品的大小：长宽<10mm，高<5mm 粉体样品：胶带法；压片法 挥发性材料：清除挥发性物质 污染样品：试剂清洗或打磨及离子溅射清洁表 面 5. 带有磁性的材料：禁止磁性样品。弱磁消磁 6. 样品的荷电及消除：内标法进行荷电校准 1. 2. 3. 4.
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7.2 紫外光电子能谱
• 主要用于研究价电子的电离电能。 • 紫外线的能量较低，只能研究原子和分子的价电子 及固体的价带，不能深入原子的内层区域，但其单 色性比X射线好，故紫外光电子能谱的分辨率比X射 线光电子能谱高。 • 在化学、物理和材料研究及应用方面是相互补充的。 • 最初紫外光电子能谱主要用来研究气体分子，近年 来已越来越多地用于研究固体表面 (要求获得更高的 真空度)。
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• 紫外光电子能谱测量与分子轨道能紧密相关的实 验参数---电离电位(IP或I)． • 原子或分子的第一电离电位(IP1或I1)通常定义为从 最高的填满轨道能级激发出一个电子所需的最小 能量。 • 第二电离电位定义为从次高的已填满的中性分子 的轨道能级激发电一个电子所需的能量。
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• 能量为hv的入射光子从分子中激发出一个电子以后， 留下一个离子，这个离子可以振动、转动或以其它激 发态存在。如果激发出的光电子的动能为E，则 E＝hv – I – Ev - Er I是电离电位，Ev是分子离子的振动能，Er是转动能， Ev的能量范围大约是0.05-0.5电子伏，Er的能量更小， 至多只有千分之几电子伏，因此Ev和Er比I小得多。但 是用目前已有的高分辨紫外光电子谱仪(分辨能力约 10-25毫电子伏)，容易观察到振动精细结构。
ultraviolet photoelectron spectroscopy
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7.2.1 紫外光电子能谱的原理
• 但测量的基本原理都是基于Einstein光电方 程，即Ek＝hv-Eb，所以它与X射线光电子能 谱的原理是相同的，但是，由于紫外光只 能电离结合能不大于紫外光子能量的外壳 层能级，因此对于气体分子而言，还必须 考虑它被电离后生成的离子的状态。
12
检测器
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 子流 10-13 ~ 10-9 A 倍增器
10 ~ 1A
多通道检测器是由多 个微型单通道电子倍 增器组合在一起而制 成的一种大面积检测 器，也称位敏检测器 （PSD）或多阵列检测 ） 器。
-4
通道电子倍增器是一种 采用连续倍增电极表面（ 采用连续倍增电极表面 （ 管 状通道内壁涂一层高阻抗材 料的薄膜） 静电器件。 料的薄膜 ） 静电器件 。 内壁 具有二次发射性能。 具有二次发射性能 。 电子进 入器件后在通道内连续倍增， 入器件后在通道内连续倍增 ， 增益可达 109。
10-4Pa时为 秒；10-7Pa时为 时为1秒 时为1000秒 时为 时为 秒
4. 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能量 电子的相对强度。 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10 低于 -3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。 子碰撞的几率。
7.1 X射线光电子能谱
7.1.1 X射线光电子能谱的基本原理 爱因斯坦光电效应定律 1. 光电效应
3
2. 光电离过程
①光子和原子碰撞产生相互作用 ②原子轨道上的电子被激发出来 ③激发出的电子克服样品的功函数进入真空，变成 自由电子 ④每个原子有很多原子轨道，每个轨道上的结合能 是不同的 ⑤结合能只与电子所处的能级轨道有关，是量子化 的 ⑥内层轨道的结合能高于外层轨道的结合能
5. 离子源
离子束溅射系统主要用于对样品表面进行清洁 或对样品表面进行定量剥离。 离子源：Ar离子、氧离子、铯离子、镓离子等 离子束的溅射速率不仅与离子束的能量和束流 密度有关，还与溅射材料的性质有关。
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7.1.3 X射线光电子能谱分析与应用
• 一般采用MgKα和AlKα X射线作为激发源 • XPS 是用X射线光子激发原子的内层电子发 是用 射线光子激发原子的内层电子发 生电离，产生光电子， 生电离，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， 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谱峰强度， 过测定电子的结合能和谱峰强度，可鉴定 除H和He（因为它们没有内层能级）之外 和 （因为它们没有内层能级） 的全部元素以及元素的定量分析
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1. XPS图 谱可以表 征结合能
1. 价带 (4d,5s) 出现在 0 - 8 eV 。 2. 4p 、 4s 能级出现在 54 、88 eV 。 3. 335 eV 的最强峰由 3d 能级引起。 4. 3p 和3s 能级出现在 534/561 eV 和 673 eV。 5. 其余峰非 XPS 峰， 而是Auger 电子峰。
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• 从图中可以看到，这些化合物 中的碳原子分别处于两种不同 的化学环境中(一种是苯环上的 碳，一种是羧基碳)，因而它们 的C1s谱是两条分开的峰。 • 谱图中两峰的强度比4:6、2:6和 1:6恰好符合3种化合物中羧基 碳和苯环碳的比例。由此种比 例可以估计苯环上取代基的数 目，从而确定其结构。
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原子化学环境的变化对XPS和AES中测量的电子 和 原子化学环境的变化对 中测量的电子 能量都有影响， 能量都有影响，使之偏离标准值产生所谓的化 学位移。根据化学位移的数值， 学位移。根据化学位移的数值，可以分析元素 在待测样品中的化学价态和存在形式。 在待测样品中的化学价态和存在形式。 X射线光电子能谱法的特点： 射线光电子能谱法的特点： 射线光电子能谱法的特点
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• 经X射线辐照后，从样品表面出射的光电子 的强度与样品中该电子的浓度有线性关系， 可以利用它进行元素的半定量分析。 • 光电子的强度与原子的浓度、光电子的平 均自由程、样品的表面光洁度、元素所处 的化学状态、X射线源强度及仪器的状态有 关，一般XPS不能给出所分析元素的绝对含 量，只能提供各元素的相对含量。
0k时固体能带中充 时固体能带中充 满电子的最高能级
′ hv = Ek + Eb +φ
功函数
6
为防止样品上正电荷积累，固体样品必须保持 为防止样品上正电荷积累， 和谱仪的良好电接触，两者费米能级一致。 和谱仪的良好电接触，两者费米能级一致。 实际测到的电子动能为： 实际测到的电子动能为：
′ Ek = Ek −(φsp −φs ) = hv − Eb −φsp
1，2，4，5-苯四甲酸；1，2-苯 二甲酸和苯甲酸钠的C1s光电子 20 谱图
• 由图可知，与聚乙烯相比， 聚氟乙烯C1s对应于不同的 基团CFH-与-CH2-成为两个 部分分开且等面积的峰。
两种聚合物的C1s电子谱图 (a)聚乙烯 (b)聚氟乙烯
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3. XPS图谱可以表征价带结构
XPS价带谱与固体的能带结构有关，可以提 供固体材料的电子结构信息。
Eb = hv − Ek −φsp
仪器功函数
只要由X射线光电子能谱仪探测到出射电子的动能Ek，就 可以由上式计算出轨道电子与原子核结合的能量Eb，由此 7 而得知物质的种类及其所处的轨道能量状态。
7.1.2 X射线光电子能谱仪
主要组成部件：X射线源，离子源，真空系统，能量分析 8 系统，电子控制系统，数据采集和处理系统