第八章表面分析技术

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表面分析技术

表面分析技术表面分析技术是一项涉及材料和表面特性研究的重要技术手段。

通过对材料表面的分析和测试，可以了解材料的化学成分、结构形态以及物理性质等重要信息。

这些信息对于材料科学、化学工程以及各种工业领域的研究和应用具有重要的指导意义。

本文将介绍常见的表面分析技术及其应用，并探讨其在材料研究领域中的重要性。

一、X射线衍射（XRD）X射线衍射技术是一种分析晶体结构和晶体取向的重要手段。

通过照射材料表面的X射线，利用倒转的原理，可以得到材料中晶体的信息，如晶体晶胞参数、晶面取向和结晶度等。

X射线衍射技术广泛应用于金属材料、无机晶体、聚合物材料以及生物材料等领域的研究中。

二、扫描电子显微镜（SEM）扫描电子显微镜是一种通过扫描材料表面的电子束来获取表面形貌和成分信息的技术。

通过SEM技术可以观察到材料的微观形貌、表面粗糙度以及颗粒分布情况。

此外，SEM还可以结合能谱分析，获取材料的元素成分信息，对于材料表面的成分分析具有重要意义。

扫描电子显微镜的高分辨率、高灵敏度和高成像质量使其成为材料科学研究中不可或缺的工具。

三、原子力显微镜（AFM）原子力显微镜是一种通过探针在材料表面扫描获取高分辨率表面形貌和力学性质的技术。

与扫描电子显微镜类似，原子力显微镜可以获得纳米级别的表面形貌信息。

此外，通过原子力显微镜还可以研究材料的力学性质，如力曲线、硬度和弹性模量等。

原子力显微镜在纳米材料研究、表面重构以及生物医学领域的研究具有重要应用价值。

四、拉曼光谱（Raman）拉曼光谱是一种通过激光照射材料表面，并测量散射光强度的技术。

拉曼光谱的原理是根据材料分子振动产生的震动频率差异来获取材料的化学成分和物理性质信息。

通过拉曼光谱可以研究材料的晶体结构、官能团成分以及分子结构的变化等。

应用于纳米材料、生物医学和化学合成等领域的研究中。

五、表面增强拉曼光谱（SERS）表面增强拉曼光谱是一种通过将材料置于金属纳米颗粒表面，使得拉曼信号得到大幅增强的技术。

薄膜光学与制作_第08章薄膜的表征方法

薄膜的表征方法
2. 化学态的分析
依据：化学位移和各种终态效应以及价电子能带结构等
XPS主要通过测定内壳层电子能级谱的化学位移可以推知原子结合状态和电子分布状态
一定元素的电子结合能会随着原子的化学态发生变化－化学位移。这一化学位移的信息是元素状态分析与相关结构分析的主要依据
在XPS中，除光电子谱线外，还存在X射线产生的俄歇峰。这是由于用能量100~3000eV的X射线激发，绝大部分元素处有光电子发射外，还可发射俄歇电子
薄膜的表征方法
四、定量分析
在表面分析研究中，我们不仅需要定性地确定试样的元素种类及其化学状态，而且希望能测得它们的含量，对谱线强度作出定量解释，XPS定量分析的关键是要把所观测到的信号强度转变成元素的含量，即将谱峰面积转变成相应元素的含量
薄膜的表征方法
薄膜的表征方法
Intensity / cps
数s (3) 自由电子的动能Ek
则 h＝ Eb＋ Ek ＋ s
薄膜的表征方法
当样品置于仪器中的样品架上时，样品与仪器样品架材料之间将产生接触电势差A- s (A ：分析器材料层逸出功) 进入分析器光电子动能为：
则 Ek ＝ h - Eb - A
薄膜的表征方法
各种原子、分子轨道的电子结合能是一定的，据此可鉴别各种原子和分子，即可进行定性分析
at 200 V
薄膜的表征方法
4000 3000
Ti4+ 2p2/3
Intensity / cps
2000 1000
Ti3+ 2p2/3 Ti2+ 2p2/3
0
470 468 466 464 462 460 458 456 454 452

表面分析技术讲义

表面分析技术讲义绪论一、表面与表面科学1. 表面与界面的定义2.表面科学的三个组成部分表面科学主要由表面物理、表面化学和表面分析技术三个方面所组成，是当前材料科学的前沿。

3.表面科学发展的三个阶段（1）1947年以后(点接触二极管于1946年发明),人们开始认识到半导体表面的重要性，研究了干燥空气、湿空气、含臭氧空气等对锗表面的影响。

此阶段证实了表面态的存在，但对它的来源仍不清楚。

（2）1957年前后，超高真空技术发展起来，已可以获得10-9Torr （1Torr=133.332 Pa）的真空度。

通过解理、离子轰击、场致蒸发等方法可以获得一个清洁表面。

人们注意力集中在清洁表面的原子排列，发现在表面原子存在重构或驰豫，并通过物理方法测量了表面的光、机、磁等特性，发现与体性质有明显的区别。

此阶段仍处于唯象阶段。

（3）1968年Harris发现Auger电子能谱（AES）可以用来确定表面原子的化学态和成分。

随后光电子能谱（XPS）、二次离子质谱（SIMS）等表面分析技术的相继出现，使人们可以了解表面几十个原子范围内和微区（1 m或更小）的成分和它们的化学态。

60年代末期以来，随着计算机技术、电子测量技术和超高真空技术的发展，表面科学也以极其迅猛的速度发展。

二、表面科学研究领域1．表面科学研究的领域表面科学研究表面和与表面有关的过程，包括宏观的和微观的。

近几十年来表面科学从原子水平来认识和说明表面原子的化学、几何排列、运动状态、电子态等性质及其与表面宏观性质的联系，推动了基础研究和新技术的发展。

表面科学是近代研究的重要领域，它有许多技术应用。

例如：①小于1 m的薄膜（半导体、绝缘体和金属膜等），具有复杂的图案和结构，要求高纯和精确掺杂。

②膜的内部和界面问题。

通过离子溅射逐层剥离变成表面问题，或在薄膜和界面形成过程中作为表面问题加以研究。

③器件小型化带来的表面问题。

④新型微波器件和集成光学器件中的超晶格技术的超晶格量子现象及表面问题。

表面分析技术的原理

X射线光电子谱(XPS)
仪器结构
XPS需要用软X射线辐照样品，并对样品表面所产生的光电子的能量进行分析。因此一台X射线光电子谱仪(简称XPS谱仪)由下列几部分组成：真空室及与其相应的抽气系统；样品引进和操纵系统； 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，两者同时控制谱仪操作并提供处理数据的手段。
红外碳硫分析仪
1.量程： C：0～6％ S：0～1％
2.检测器： 4个 CO (1个)/ CO2（高低2个）SO2
3.灵敏度
0.01ppm 4.固体标样精度：
C：0.3ppm S：0.3ppm
氧氮分析仪
1.测定元素 : 氧氮联测 2.分析范围:O: 0-0.1wt%/0-1000wtppm；N:0-0.5wt%/05000wtppm减少称样量可达100wt% 3.标准样品重量 : 标准1.0g 4.灵敏度(最小读数): O/N: 0.001wtppm 5.分析时间 : 约40秒炉子输出功率 : 最大8000W
◆ 表面分析仪器是建立在超高真空、电子－离子光学、微弱信号检测、精密机械加工以及电子计算机等技术基础上的，是综合性较强的仪器。
◆ 任何一种表面分折技术都有它的长处，也有它的短处。因此综合应用不同的分析技术以得到相互补充、完善的分析结果常被采用。
因而出现了多功能表面分析仪器 (如XPS-AES-UPS；AES-SIMS； XPS-AES-ISS-SIMS等)。
表面分析应用实例
SURFACE AND INTERFACE ANALYSIS 2002; 33: 252–258
Change of N 1s peak of NC C CA during xray exposure. For convenience, the spectra are shifted.

检测检验的表面分析技术

检测检验的表面分析技术表面分析技术是一种对固体表面进行分析、检测、确定其化学成分、结构和形貌的方法。

随着科技的发展和产业的不断发展，表面分析技术逐渐得到了广泛的应用，成为解决工业生产过程中表面质量问题的重要手段之一。

在工业生产中，表面质量是非常重要的。

各种产品在生产流程中，都需要经过各种表面加工工艺，比如精加工、镀层处理、喷涂、硬化等等。

这些加工工艺的质量，直接影响着产品外观的美观度、功能性能的稳定性和产品寿命的长短。

因此，选择一种准确可靠的表面分析技术来确保产品表面质量，对于提高产品质量和市场竞争力至关重要。

其中，检测检验的表面分析技术成为重要的质量保障标准之一。

它利用各种化学、物理、光学等技术手段，对产品表面进行实时分析，以便及时发现产品表面缺陷、异物、污染物等问题，从而及时采取相应措施，保证产品的表面质量。

常见的表面分析技术有哪些呢？首先是电子显微镜技术。

电子显微镜技术以其高分辨率、高灵敏度和非常适合分析微小颗粒的优点，被广泛应用于表面分析领域。

它可以分析表面的形貌、微观结构，同时还可以准确定位污染物，进行表面成分分析等工作。

其次是X射线衍射技术。

X射线衍射技术被广泛应用于材料检测和分析领域。

由于不同材料具有不同的晶格结构，所以X射线通过物质后可以得到不同的衍射图谱，通过对衍射图谱的分析可以确定材料的成分、晶体结构等信息。

还有光学显微镜技术。

光学显微镜技术可以对样品进行光学图像的收集和分析，并生成具有高分辨率、高灵敏度的图像。

同时，还可以透过镜头对表面进行更为深入的观察和分析，以便更加准确地确定表面问题的位置和范围。

此外，还有拉曼光谱技术、原子力显微镜技术等等。

这些表面分析技术不仅具有广泛的应用领域，而且在实时性、准确性、可靠性等方面也有很大优势。

为什么检测检验的表面分析技术如此重要呢？首先，表面分析技术可以及时发现问题。

当出现产品表面问题的时候，通过表面分析技术的手段可以及时发现问题并找到问题的位置和范围，从而及时采取相应措施，避免问题扩大化。

表面分析技术

有了这些相对灵敏度因子(Sn)，任一所选元素 A的相对原子浓度可从下式简单地获得：
IA
CA＝
SA In
n Sn
聚合物的XPS信息
在讨论聚合物谱的阐释之前，首先需要考虑的是可能引起问题的两个因素，即样品荷电、及与之相关的结合能坐标基准，以及样品的辐照损伤。
样品荷电 X射线辐照期间从绝缘体表面发射电子，不可
X射线荧光分析显微镜
技术参数
1.X光微细光束发生器X光束开关机构：Ф10μm或 Ф100μmXGTX发生器：X光管（靶材：Rh）管电压： 15、30、50KV（可选）管电流：0.1、1.0 MA 2.X光探头① 硅探头：高纯硅X光探头（Xerophy）可检元素11Na-92U 3.同时可测图象数：一个透射X光映象31个X荧光映象（256×256像素）或15个X荧光映象（512×512像素） 4.定量分析（FPM和测量线定量） 5.光学显微镜：放大倍数10
◆ 表面分析仪器是建立在超高真空、电子－离子光学、微弱信号检测、精密机械加工以及电子计算机等技术基础上的，是综合性较强的仪器。
◆ 任何一种表面分折技术都有它的长处，也有它的短处。因此综合应用不同的分析技术以得到相互补充、完善的分析结果常被采用。
因而出现了多功能表面分析仪器 (如XPS-AES-UPS；AES-SIMS； XPS-AES-ISS-SIMS等)。
出射的电子可能来自紧束缚的内能级，也可能来自弱成控价能级或分子轨道。只有部分光电离的电子能从表面逃逸后进入真空。
总的来讲，这就称之为光电效应。对光电子发射作如上所述的能量分析，就可以产生以电子强度作为能量函数的谱。
表面原子组成的定量分析
对于聚合物表面分析，最方便的是用C ls＝1 (而不是F ls＝1)以建立内部相对灵敏度因子。

表面分析技术

固体表面物理化学
电子与表面相互作用
Ag
538 2 0.41 aE E 5A
o
Fig. 3.4
2018/12/4
Source：华中一
北京大学化学与分子工程学院－表面与材料小组
固体表面物理化学
离子与固体表面作用
1. 弹性散射，离子本身不损失能量，前散射和背散射； 2. 非弹性散射，离子损失能量，前散射和背散射； 3. 离子注入，钻入样品内； 4. 轰击样品，产生表面剥离； 5. 俘获、再释和溅射脱附。
2018/12/4
Source：高本辉，崔素言
Source：华中一
北京大学化学与分子工程学院－表面与材料小组
固体表面物理化学
电子与表面相互作用
电子自由程：电子与晶体中的原子核产生两次连续碰撞之间所走过的平均路程称为电子自由程，。电子自由程与电子的本身能量有很大关系，如图 3.4 。在 30 ～ 100 eV 以内，其值达到最小，约为0.1 ～ 0.8 nm = 1 ～ 8 Å，即大约三个原子层左右。LEED就是利用这个能量段来工作的。对于实际的电子平均自由程，不但与电子自身能量有关，还与材料有关，Seah等人总结了大量的数据，得到经验计算公式如下：
发射；
3. 表面电离：当气体分子撞击灼热表面时，一部分以分
子或原子状态飞离表面，另一部分以正负离子的形式飞离，这叫表面电离。
3. 光衍射；
4. 光激发，产生光电子； 5. 光诱导表面分子脱附和反应。
2018/12/4 北京大学化学与分子工程学院－表面与材料小组
固体表面物理化学
中性粒子与固体表面作用
1. 粒子弹性碰撞； 2. 粒子非弹性碰撞； 3. 粒子表面吸附； 4. 粒子18/12/4

表面分析技术_授课内容

分析方法名称
简称
主要用途
e x射线光电子谱
e 紫外线光电子谱
XPS UPS
成分、化合态分子及固体电子态
e 同步辐射光电子谱
SRPES 成分、原子及电子态
红外吸收谱
IR
原子态
拉曼散射谱
RAMAN 原子态
扩展x射线吸收谱精细结构 SEXAFS 结构
角分辨光电子谱
ARPES 原子及电子态结构
I
光子诱导脱附谱
FEED
电子态
STM
形貌
TDS
原子态
SCANIIR 成分
MBS
结构、原子态
AM
形貌
21
材料表面分析技术：1-概述
部分表面分析设H 备的分析范围
22
材料表面分析技术：1-概述
XPS AES
ILS
ISS
RBS
SIMS
测氢
No
No
No
No
No
Hale Waihona Puke Yes元素灵敏度均匀性 Good Good Bad Good Good
2）性质(Property) 材料对电、磁、光、声、热、机械载荷的反应，主要决定于材料的组成与结构。
H
7
材料表面分析技术：1-概述
3）加工(Processing) 材料的制备、合成、压力加工、机械加工、废料的再生处理等。
4）效能(Performance) 材料在使用状态下表现的行为，它与材料设计、工程环境密切相关。使用性能包括：可靠性、耐用性、寿命预测及延寿措施等。
• 晶体的相结构。各种相的结构，即晶体结构类型和晶体常数，相组成。
• 化学成分和价键（电子）结构。包括宏观和微区化学成份（不同相的成份、基体与析出相的成份）、同种元素的不同价键类型和化学环境。

表面分析技术综述

表面分析技术综述—有感于屠一锋教授所讲仪器分析之表面分析技术摘要：表面分析技术是通过分析探束或探针与材料表面发生作用产生的许多信息而研究表面的。

主要分为表面形貌分析、表面组分分析和表面结构分析等几大部分，其中表面形貌分析技术有扫描电镜、透射电镜、扫描隧道显微镜、原子力显微镜等；表面组分分析技术主要有俄歇电子能谱、光电子能谱、二次离子质谱、电子探针显微分析、离子探针显微分析等；表面结构分析技术主要有x射线衍射、电子衍射和中子衍射等。

本文主要讨论了上述方法技术的原理、适用范围及特点。

关键词：表面表面分析技术TEM SEM STM AES XPS XRD 应用发展一引言：物体与真空或气体间的界面称为表面，由于表面的最外层电子层原子的成键力士不饱和的，所以表面具有内部体相所不具备的特殊物理化学性质。

因此，很多的物理化学过程，如催化、氧化、钝化、吸附、扩散等，常常首先发生在表面，甚至仅仅发生在表面。

表面的化学组成、原子排列、电子状态等往往和体相不同，有其特性和重要性。

表面分析是机遇光子、电子、离子和电场与所研究材料相互作用的物理技术，对一个原子层到几微米厚的物质表面层进行分析表征的学科。

能提供三方面的信息：①.表面化学状态，包括元素种类、含量、化学价态以及化学成键等；②.表面结构，从宏观的表面形貌，物相分布以及元素分布到微观的表面原子空间排列；③.表面电子态，涉及表面的电子云分布和能级结构。

表面分析可大致分为表面形貌分析、表面成分分析和表面结构分析三类。

表面形貌分析指“宏观”几何外形分析，主要应用电子显微镜(TEM、SEM等)、场离子显微镜(FIM)、扫描探针显微镜(SPM，如STM、AFM等)等进行观察和分析。

表面成分分析包括表面元素组成、化学态及其在表层的分布(横行和纵向)测定等，主要应用X射线光电子能谱(XPS)、俄歇电子能谱(AES)、电子探针、二次离子质谱(SIMS)和离子散射谱(LSS)等。

表面结构分析指研究表面晶相结构类型或原子排列，主要应用低能电子衍射(LEED)、光电子衍射(XPD)、扫描隧道显微镜和原子力显微镜等。

表面分析技术

表面分析技术综述程虎化学091 0916391034[摘要] 介绍表面分析研究的内容和分析技术，具体论及电子探针显微分析、俄歇谱分析、光电子能谱、二改离子质谱等．同时综述表面分析技术的现状及其发展前景。

关键词：表面分析技术表面成分表面结构分辨率1 前言表面科学是六十年代后发展起来的一门科学。

所谓表面分析，指的是固体最外层数个nm(1~10原子层)表面及薄层的组分、结构和能态分析。

这层原子既受体内原子束缚，又受表面特殊环境的影响。

表面成分、结构、化学状态与体内不同。

而表面特性对材料的物理、化学等性能影响很大。

侧如金属表面氧化、腐蚀、磨损、粘接、润滑以及金属材料脆性、断裂等均与表面或界面的特性有关。

从物理角度看，任何两个相的接触处均产生一个性质不同于两侧的原子层(即接触层)，称作为界面。

固相与固相，固相与液相、固相与气相或真空之间的接触面都是界面，而通常所说的表面系指固体或液体与气体所构成的界面。

即界面包含表面，表面是界面的一种特殊情况。

鉴于人们的习惯，大都仍然用表面这一术语。

表面科学研究的主要课题不外乎是：研究表面和界面附近原子的种类和数量，以及这些原子的空间分布，即表面成分；研究表面和界面原子是如何排列的，以及与体内区别，即表面结构；研究表面和界面的愿子能级、价态电子和自由电子的能态结构及电荷密度的空问分布，即表面电子状态。

总之，表面科学的基本任务是以原子或分子为尺度，获得表面成分、结构和状态等基本信息。

如在金属材料研究中主要是解决表面成分和结构问题，而在真空电子科学中，则一时一刻也离不开对表面电子结构的研究。

研究这些表面现象的相互关系、相互影响，提出和确立相应的理论，进一步指导生产和实践。

2 表面分析技术表面分析技术，按用途大致可分为表面结构、成分和状态分布三大类。

目前表面分析技术已超过三十余种，在我国主要教采用的有EPMA、AES、EELS，XPS、SIMS、FIM等。

2．1电子探针显微分析(EPMA)电子探针显微分析(EPMA)电子探针显微分析应用得较早，五十年代出现了商品，七十年代末仪器水平和功能迅速提高。

表面分析技术的原理课件

XPS广泛应用于表面元素分析、化学态分析以及表面污染物的检测。
缺点：对样品有一定的局限性，如需要导电样品、对轻元素灵敏度较低。
原子力显微镜（AFM）
原子力显微镜（AFM ）是一种利用微悬臂感受和反馈样品表面原子间作用力的信息，来研究样品表面形貌和性质的表面分析技术。
AFM通过在样品表面扫描微悬臂，可以检测到原子间作用力，并将这些力转化为高度信息，呈现出样品的表面形貌。
AFM不仅可以用于研究表面形貌，还可以用于测量表面粗糙度、化学组分等性质。
优点：高分辨率、能够提供三维形貌图像、无损分析。
缺点：对样品要求较高，需要平整、导电的样品表面。
激光拉曼光谱（LRS）
01
02

03
04
05
激光拉曼光谱（LRS）是一种利用激光激发样品，测量拉曼散射信号来分析样品分子结构和振动模式的表面分析技术。
20世纪后期至今
表面分析技术进入快速发展阶段，各种表面分析方法如XPS、STM、AFM等不断涌现和应用，为材料科学、化学、生物学等领域的研究提供了强有力的支持。
CHAPTER
02
表面分析技术的基本原理
表面物理分析
表面物理分析主要研究物质表面的物理性质，如电导率、热导率、光学性质等。
表面物理分析方法包括光电子能谱、X 射线衍射、红外光谱等，这些方法可以提供物质表面的电子结构、分子振动、晶体结构等信息。
表面化学状态分析
表面分析技术还可以用来研究材料表面的化学键合状态，如金属氧化物表面的羟基、羧基等基团的存在和性质。
生物学领域的应用
蛋白质结构分析
生物分子相互作用分析
表面分析技术可以用来研究蛋白质在固体表面的吸附行为和构象变化，有助于深入了解蛋白质的结构和功能。

表面分析手段

表面分析技术0―简介物体与真空或者气体的界面称为表面。

表面向外的一侧没有近邻原子，形成"悬空键"，因此表面具有与体相不同的物理化学性质。

表面分析技术的特点用一个探针去探测样品表面，在两者相互作用时，从样品表面发射及散射电子，离子，光子等，检测这些粒子的能量，角度分布，束流强度，从而间接的得到了样品表面的信息。

所用到的探针包括电子，离子，光子，中子，热，声，电场和磁场。

由于这些"发射"粒子都携带了表面信息，为了不至于在实验过程中损失掉，一般都处在一定真空度下的环境下进行，所以又称为真空表面分析技术。

表面分析的内容有：1 表面形貌和结构，当达到原子级的分辨率时，二者没有什么区别（LEED,RHEED,FIM,FEM,STM,TEM）。

2 表面组分分析，表面的元素组成，化学态和分布(XPS,AES，DAPS,SIMS)。

3 表面电子态，表面能级的性质，表面态密度分布，表面电荷分布及能量分布(EELS,UPS,ARPES,STM)。

4 表面原子态表面分析仪器一般要包括激发源，样品架与分析室，分析器，探测器。

以上部分一般都需要在真空环境下工作，所以还需要真空系统。

此外还有计算机控制系统及数据处理系统。

表面分析技术的选择。

表面分析方法有上百种，应该根据各自的实验目的来选择不同的分析技术。

1 如果要检测较深度的信息，可用XPS,XPD，如果是浅深度的，可选用UPS,STM2 如果对空间横向分辨率要求高可选SPM,SIMS，如果要求谱图能量分辨率高，可选用UPS3 如果要求样品无损伤选SPM，损失弱选UPS,XPS4 如果对特定元素分析，比如Ag，AES对其灵敏度很高5 如果要求化学状态有高灵敏度，选XPS表面分析技术1－－－能量分析器能量分析器不是一个完整的表面分析仪器，只是其中的一部分－－－分析器，包括了能量分析器，质量分析器，电场分析器能量分析器的作用是把具有特点能量的粒子挑选出来，并把其他能量的粒子过滤掉，如果是进行扫描，依次选取不同能量，就可以测量得到能量的分布。

第八章表面分析技术

材料现代研究方法
第八章表面分析技术
材料现代研究方法
第八章表面分析技术
8.1 X射线光电子能谱 8.2 俄歇电子能谱
材料现代研究方法
8.1 X射线光电子能谱
1 X射线光电子谱基本原理 2 结合能 3 化学位移 4 光电子能谱分析方法 5 X射线光电子能谱仪
材料现代研究方法
8.1.1 X射线光电子谱基本原理
8.2.1 俄歇电子能谱的基本原理
俄歇电子的产生可以分为三个
步骤，如图8-18，首先原子内
某一内层电子被激发电离从而
形成空位，接着一个较高能级
的电子跃迁到该空位上，再接
着另一个电子被激发发射，形
成无辐射跃迁过程，这一过程
被称为Auger效应,被发射的电
子称为Auger电子。
图8-18 俄歇电子的产生过程
材料现代研究方法
图8-1 光电效应
8.1.1 X射线光电子谱基本原理
图8-2 元素光电离截面的计算值（AlKα辐射，参照C1s=1.00）
材料现代研究方法
8.1.1 X射线光电子谱基本原理
（二）驰豫过程 (relaxation process) (1) 荧光辐射弛豫过程:
M+* →M+ +hν′(特征射线) (2) 俄歇过程(非辐射弛豫):
（8-5）
Koopmans法则：
EBKT (n, l, j) ESCF (n, l, j)
(8-6)
材料现代研究方法
EB ESCF Erelax Erelat Ecorr
（8-7）
计算方法
8.1.2 结合能
表8-1 不同方法求得的Ne1s和Ne2s轨道结合能对比
计算方法

表面分析技术

表面分析技术表面分析技术surface analysis techniques利用电子、光子、离子、原子、强电场、热能等与固体表面的相互作用，测量从表面散射或发射的电子、光子、离子、原子、分子的能谱、光谱、质谱、空间分布或衍射图像，得到表面成分、表面结构、表面电子态及表面物理化学过程等信息的各种技术，统称为表面分析技术[1]。

在20世纪60年代超高真空和高分辨高灵敏电子测量技术建立和发展的基础上，已开发了数十种表面分析技术，其中主要有场致发射显微技术、电子能谱、电子衍射、离子质谱、离子和原子散射以及各种脱附谱等类。

70年代后期建立的同步辐射装置，能提供能量从红外到硬X 射线区域内连续可调的偏振度高和单色性好的强辐射源，又大大增强了光（致）发射电子能谱用于研究固体表面电子态的能力,开发了光电子衍射和表面X射线吸收边精细结构。

此外，电子顺磁共振、红外反射、增强喇曼散射、穆斯堡尔谱学、非弹性电子隧道谱、椭圆偏振等，也用于某些表面分析场合，一些主要的表面分析技术的物理过程和特点如下表所示。

screen.width-300)this.width=screen.width-300" border=0>各种技术的表面灵敏度并不相同，单一技术只得到表面某一方面的信息。

为了对固体表面进行较全面的分析，常采用同时配置几种表面分析技术的多功能装置。

目前，各种表面分析技术的定量化尚待逐步完善。

常见的表面分析技术有以下9种：低能电子衍射（LEED）将能量在10～500电子伏范围内的低能电子束入射到待研究表面，这种低能电子的德布罗意波长（见波粒二象性）与表面原子的间距有相似数量级，表面的点阵结构对入射电子束能产生衍射作用。

由于入射电子能量低，只有表面层内的原子才对入射电子起散射作用，而且散射截面很大。

用荧光屏观察背向衍射束斑的分布，可得有关表面原胞的几何信息。

另一方面，对任一衍射束，其束斑强度随电子束的能量（或电子波长）而变，这种变化关系可用I-V曲线表示出来（I为表征衍射束强度的电流，V为入射电子束的加速电压），该曲线称为低能电子衍射谱。

第八章_表面分析技术刘昭第教材

的，并且很窄。但是，由于与价电子的耦合，纯金属的
XPS谱也可能存在明显的不对称。
谱线峰宽：谱线的峰宽一般是谱峰的自然线宽、X射线线宽和谱仪分辨率的卷积。
高结合能端弱峰的线宽一般比低结合能端的谱线宽1~4 eV。
绝缘体的谱线一般比导体的谱线宽0.5 eV。
40
XPS 中的俄歇谱线
在XPS中，可以观察到KLL, LMM, MNN和 NOO四个系列的Auger线。
1. 定性分析（1）光电子谱线（2）X射线的伴峰（3）Auger谱线（4）X射线“鬼峰” （5）震激和震离线（6）多重分裂（7）能量损失峰
• 谱线的识别
16
2. 化学态分析
（1）光电子谱线化学位移：电子结合能化学态
（2）俄歇谱线化学位移和俄歇参数：对分析元素状态有用
（3）震激谱线：鉴别顺磁态化合物的存在
33
四、XPS谱及其分析方法
1. 定性分析
XPS 分析是利用已出版的 XPS 手册，或者查找参考文献。
34
定性分析依据
• XPS产生的光电子的结合能仅与元素种类以及所激发的原子轨道有关。特定元素的特定轨道产生的光电子能量是固定的，依据其结合能可以标定元素；
• 理论上可以分析除H，He以外的所有元素，并且是一次全分析。
较大时，会导致结合能位置有较大的偏移，导致
错误判断。
36
• 另外，还必须注意携上峰，卫星峰，俄歇峰等这些伴峰对元素鉴定的影响。
• 一般来说，只要该元素存在，其所有的强峰都应存在，否则应考虑是否为其他元素的干扰峰。
• 一般激发出来的光电子依据激发轨道的名称进行标记如C1s，Cu2p等。
37

材料科学研究-表面分析技术

需指出以下几点： 1）圆筒镜分析器中还带有一个离子枪，其功用主要有两个：（1）清洗样品表面，保证分析时样品表面干净无污染；（2）刻蚀（剥层）样品表面，以测定样品成分沿深度方向的分布规律。 2）激发俄歇电子的电子枪也可置于圆筒镜分析器外，这样安装维护方便，但会降低仪器结构的紧凑性。 3）样品台能同时安装6～12个样品，可依次选择不同样品进行分析，以减少更换样品的时间和保持样品室中的高真空度。
子的主峰强度IA和IAS，则元素A的原子分数CA为
CA
IA IAS
多元素标准样品法：首先制成标准试样，标准样应与被测样品所含元素的种类和含量尽
量相近，此时，元素A的原子浓度为
CA
CAS
IA IAS
由于多元素标准样制备困难，一般采用纯元素标准样进行定量分析。
三、定量分析
2．相对灵敏度因子法
它是指将各种不同元素（Ag除外）所产生的俄歇电子信号均换算成同一种元素纯Ag的当
一、歇电子能谱分析（Auger Electron Spectroscopy，AES）
一
结构原理
二
定性分析
三
定量分析
四
化学价态分析
五
应用举例
一、结构原理
信息：俄歇电子（50～1500eV，平均自由程1nm左右）用途：表层的成分分析及样品表面化学态的信息。
图9-1 俄歇能谱仪的结构示意图
一、结构原理
五、AES的应用举例
3．定量分析电子束的能量为3keV，具体测量计算步骤如下：
（1）对照元素能谱图确定谱线的所属元素，定出各元素的最强峰。
（2）测量各元素最强峰的峰峰高；
（3）根据入射电子束能量（3 keV或5 keV）所对应的灵敏度因子手册，查得各种元素

表面技术分析

3.化學位移﹕
化學反應發生時，原子間的鍵結電荷密度會重新分布，使原子內的
電子能量產生位移
表面化學成份分析技朮(ESCA)
X光光電子能譜儀(ron Spectroscopy for Chemical Analysis ESCA)
表面化學成份分析技朮
二次離子質譜儀 1二次離子質譜儀的種類﹕ Quadrupole SIMS Double magnetic sector SIMS TOF SIMS 2.Static SIMS與Dynamic SIMS的不同﹕ 以離子的入射量區分:1013 ions/cm2 . Static SIMS表面未被破壞 3.二次離子質譜認儀的實驗變數﹕ 離子束、離子能量、入射角度、偵測面積大小 4.二次離子質譜儀縱深分布能譜﹕ 離子強度vs.濺鍍時間
表面原子結構分析技朮
二次離子質譜儀
表面原子結構分析技朮
表面原子結構﹕ 1. TLK MODEL: T: 表面平台 L: 平台懸壁 K:平台懸壁上的凹角 2.表面重構:(surface reconstructiom) 當材料沿平面裂成兩半，形成乾淨的兩個表面，此時表面原子結構與材料內部結構不同，會有表面原子重組的現象。
表面分析技朮
表面處理部謝玉翔
主要內容

表面分析技朮概念

表面化學成份分析技朮
表面原子結構分析技朮表面電子結構分析技朮

表面分析技朮
1.表面分析技朮概念﹕ A:控制量測分析材料表面的訊號﹐即為表面分析技朮。
表面訊號﹕從表面2層原子取得的訊號可視為表面訊號。
(若訊號逃離深度比2層原子深﹐視為bulk訊號) B: 常用的測量技朮以光子﹐離子及電子為主。

第八章 表面分析技术

表面分析技术

薄膜光学与制作_第08章 薄膜的表征方法

表面分析技术讲义

表面分析技术的原理

检测检验的表面分析技术

表面分析技术

表面分析技术

表面分析技术_授课内容

表面分析技术综述

表面分析技术

表面分析技术的原理课件

表面分析手段

第八章表面分析技术

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第八章_表面分析技术刘昭第教材

材料科学研究-表面分析技术

表 面 技 术 分 析

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薄膜光学与制作_第08章薄膜的表征方法

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