XPS实验报告-参考

电子能谱实验

实验日期：2009-11-30 报告人：张丽颖（200921220007）

组员：邓春凤、代庆娥、刘丽娜

实验内容：

一、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。

二、实验原理

1、光电发射过程

光子照射到样品上，被样品表面原子的电子吸收，逸出样品表面。

2、光电子能谱

一定能量的电子、X光、UV等入射到（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，即为电子能谱分析。而以光子激发出自由电子得到的电子能谱称为光电子能谱，用X光激发得到的光电子能谱就叫做XPS。

3、能量关系

光电发射有：hν+M →M++e(Ek)，其中，hν是入射光子，M是样品原子，Ek是光电子动能。

得到能量关系（Einstein 关系）：Ek = hν- Eb →Eb= hν-Ek-φsa（固体），其中，hν是光子能量，Eb是结合能（相对于费米能级E F），Ek是光电子动能，φsa 是固体样品功函数。

实际实验中是将样品与分析器相连接地，二者处于相同电位上，能量关系如图1所示，光电子结合能又可表示为：

Eb=hv-Ek’-φsa ........ 样品

=hv-Ek-φsp .........仪器

其中φsp是仪器功函数。

图1.固体样品的光电子发射能量关系图

4、化学态分析

物理位移：由于物理因素而引起的结合能位移为物理位移，如相变，固体热效应，荷电效应等。其中荷电效应是由于样品光电子的逸出使样品电位升高，对后续实验产生的光电子有吸引作用，导致测量得到的结合能高于实际值。

化学位移：由于原子处于不同的化学环境而引起的结合能的位移（ΔEb）为化学位移。结合能化学位移变化规律：

(a) 同一元素中，1s, 2s, 2p1/2, 2p3/2, 3s, 3p1/2, 3p3/2, 3d5/2, 3d3/2, ....结合能变小。

(b) 同一周期内主族元素结合能ΔEb 位移随化合价的升高线性增加；而过渡元素的ΔEb 随化合价变化相反，如图为元素氧化物的结合能位移ΔEb 与原子序数Z 间的关系。

(c) 分子M 中某原子A 的内层电子结合能位移ΔEb A同它周围的结合的原子电负性之和ΣX有一定的关系。

(d) NMR, Mossbauer 谱，IR 关系；在分子（化合物）分析中，(少数化合物)XPS 的ΔEb与NMR, Mossbauer 谱的ΔEb 成正比。

(e) 反应热

6、俄歇效应

当X 射线辐射到物体上时，由于光子能量很高，能穿入物体，使原子内壳层上的束缚电子发射出来。当一个处于内层电子被移除后，在内壳层上出现空位，而原子外壳层上高能级的电子可能跃迁到这空位上，同时释放能量，这部分能量被同层或能级更高的外壳层电子吸收成为自由电子，这种自由电子叫做俄歇电子，俄歇电子的能级跃迁图如图2所示。

俄歇电子为内转换电子，能量为E wxy k （Z ），对

于固体材料，需考虑功函数Φ，原子序数为Z 时, 从

固体中激发出来的俄歇电子的能量可以用下面经验

公式计算：

E WXY (Z)=E W (Z)-E X (Z)-E Y (Z+Δ)-Φ

式中，E WXY (Z)是原子序数为Z 的原子，W 空穴

被X 电子填充得到的俄歇电子Y 的能量，E W (Z)-E X (Z)是X 电子填充W 空穴时释放的能量，E Y (Z+Δ)是Y 电子电离所需的能量。

如果电子束（或其它荷能粒子）将某原子K 层电子激发为自由电子，L 层电子跃迁到K 层，释放的能量又将L 层的另一个电子激发为俄歇电子，这个俄歇电子就称为KLL 俄歇电子。

由于H 、He 原子只有一个主壳层由电子存在，故无俄歇电子能谱。

5、XPS 仪器装置的方框图。

图3是一般X

光电子谱仪的构造图，而本次实验采用了半球形能量分析器，故X 光电子谱仪的构造如图4所示。

图2.俄歇过程原子能级图 图3.一般X 光电子谱仪的构造方框图

三、实验结果

本次实验采用的是AlK α X 射线源，能量是hv=1486.6eV 。宽程及窄程扫描得到的能谱图见后面附图。

1、宽程扫描确定样品成分

能量分析扫面范围设在(0~1400) eV 范围内，在图谱中读取最强峰X=289.2eV 处，查表得知与元素C （1S 1/2）的结合能285eV 接近；又在X=1225eV 处找到了C （KL 23L 23）的俄歇峰，由此确定样品含有C 元素。

在图谱中读取次强峰X=533.4eV ，查表得知与元素O （1S 1/2）的结合能531eV 接近；又在X=978eV 处找到了O （KL 23L 23）的俄歇峰，由此确定样品含有O 元素。

在图谱中扣除本底，读取峰X=101.5eV ，查表得知与元素Si （2P ）的结合能99eV 接近；又在X=153.5eV 处找到了另一个峰，与元素Si （2S 1/2）的结合能152eV 接近，由此确定样品含有Si 元素。

以上结果均在图5中标出。

2、窄程扫描确定元素化学状态

在C 、O 、Si 最强峰附近进行窄程扫描。扣除本底后，精确读取C 元素最强峰位X=286.3eV ，查得与污染碳284.8eV 最接近，故确定该样品中含有污染碳。可以见到实际实验结果与理论结果有1.5eV 的位移，这是由于荷电效应的物理位移造成的，故所有窄程扫描都左移1.5eV 进行校正，结果如图6所示。

图4.采用半球形分析器的X 光电子谱仪