【材料课件】第五章x射线光电子能谱.pptx
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【材料课件】五x射线光电子能谱
KE=电子动能 （Electron Kinetic Energy）
spec= 谱学功函数或电子反冲能 （Spectrometer Work Function）
谱学功函数极小，可略去， 得到 KE = hv - BE ：
3 元素不同，其特征的电子键能不同。测量电子动能KE ，就得到对应每种元素的一系列BE-光电子能谱，就得 到电子键能数据。
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。
XPS的仪器Instrumentation for XPS
XPS的仪器Instrumentation for XPS
钯的XPS（XPS spectrum obtained from a Pd metal
第五章 X-射线光电子能谱(X-ray Photoelectron Spectroscopy
(XPS) ESCA)
一 概述
表面分析技术 (Surface Analysis)是对材料外层(the Outer-Most Layers of Materials (<100 ))的研究的 技术。包括：
1 电子谱学(Electron Spectroscopies)
X-ray excitation area ~1x1 cm2. Electrons are emitted from this entire area
三 光电效应 （Photoelectric Process）
光：Incident X-ray
发射出的光电子Ejected Photoelectron
2被激发的电子能量可用下式表示：
KE = hv - BE - spec 式中
hv=入射光子（X射线或UV）能量
spec= 谱学功函数或电子反冲能 （Spectrometer Work Function）
谱学功函数极小，可略去， 得到 KE = hv - BE ：
3 元素不同，其特征的电子键能不同。测量电子动能KE ，就得到对应每种元素的一系列BE-光电子能谱，就得 到电子键能数据。
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。
XPS的仪器Instrumentation for XPS
XPS的仪器Instrumentation for XPS
钯的XPS（XPS spectrum obtained from a Pd metal
第五章 X-射线光电子能谱(X-ray Photoelectron Spectroscopy
(XPS) ESCA)
一 概述
表面分析技术 (Surface Analysis)是对材料外层(the Outer-Most Layers of Materials (<100 ))的研究的 技术。包括：
1 电子谱学(Electron Spectroscopies)
X-ray excitation area ~1x1 cm2. Electrons are emitted from this entire area
三 光电效应 （Photoelectric Process）
光：Incident X-ray
发射出的光电子Ejected Photoelectron
2被激发的电子能量可用下式表示：
KE = hv - BE - spec 式中
hv=入射光子（X射线或UV）能量
X射线光电子能谱(XPS)原理课件ppt
其结合能均为284.6 eV；而在C60材料 中，其结合能为284.75 eV。由于C 1 峰的结合能变化很小，难以从C1s峰 结合能来鉴别这些纳米碳材料。C60材 料的震激峰的结构与石墨和碳纳米管
材料的有很大的区别
2021/3/10
20
例5：确定二氧化钛膜中+4价和+3价的比例。 对不同价态的谱峰分别积分得到谱峰面积；
振激峰也是出现在其低能端，比主峰 高几ev，并且一条光电子峰可能有几 条振激伴线。（如右图所示）
强度I
振离峰
主峰 振激峰
2021/3/10
动能Ek
15
XPS谱图的解释步骤：
• 在XPS谱图中首先鉴别出C、O的谱峰（通常比较明
显）。 • 鉴别各种伴线所引起的伴峰。 • 先确定最强或较强的光电子峰，再鉴定弱的谱线。 • 辨认p、d、f自旋双重线，核对所得结论。
查各价态的灵敏度因子，利用公式求各价态的比 例。
2021/3/10
21
例6：化学结构分析 依据：原子的化学环境与 化学位移之间的关系；
羰基碳上电子云密度小， 1s电子结合能大（动能小 ）；峰强度比符合碳数比 。
2021/3/10
22
谢谢观赏
2021/3/10
23
放映结束 感谢各位的批评指导！
素的灵敏度具有相同的数量级。
• （2）相邻元素的同种能级的谱线相隔较远，相互干 扰较少，元素定性的标识性强。
• （3）能够观测化学位移。化学位移同原子氧化态、 原子电荷和官能团有关。化学位移信息是XPS用作 结构分析和化学键研究的基础。
• （4）可作定量分析。既可测定元素的相对浓度，又 可测定相同元素的不同氧化态的相对浓度。
2021/3/10
材料的有很大的区别
2021/3/10
20
例5：确定二氧化钛膜中+4价和+3价的比例。 对不同价态的谱峰分别积分得到谱峰面积；
振激峰也是出现在其低能端，比主峰 高几ev，并且一条光电子峰可能有几 条振激伴线。（如右图所示）
强度I
振离峰
主峰 振激峰
2021/3/10
动能Ek
15
XPS谱图的解释步骤：
• 在XPS谱图中首先鉴别出C、O的谱峰（通常比较明
显）。 • 鉴别各种伴线所引起的伴峰。 • 先确定最强或较强的光电子峰，再鉴定弱的谱线。 • 辨认p、d、f自旋双重线，核对所得结论。
查各价态的灵敏度因子，利用公式求各价态的比 例。
2021/3/10
21
例6：化学结构分析 依据：原子的化学环境与 化学位移之间的关系；
羰基碳上电子云密度小， 1s电子结合能大（动能小 ）；峰强度比符合碳数比 。
2021/3/10
22
谢谢观赏
2021/3/10
23
放映结束 感谢各位的批评指导！
素的灵敏度具有相同的数量级。
• （2）相邻元素的同种能级的谱线相隔较远，相互干 扰较少，元素定性的标识性强。
• （3）能够观测化学位移。化学位移同原子氧化态、 原子电荷和官能团有关。化学位移信息是XPS用作 结构分析和化学键研究的基础。
• （4）可作定量分析。既可测定元素的相对浓度，又 可测定相同元素的不同氧化态的相对浓度。
2021/3/10
材料科学研究(第4版)课件：X射线光电子能谱仪
1．光电子主峰（尖锐峰） 光电子谱中尖锐峰为弹性散射光电子形成，一般来自样品表层。每一种元素均有各自 的最强峰，是定性分析的依据。来自样品深层的光电子因在途中的碰撞、能量损失， 演变成背底或伴峰。低结合能端的背底电子少，而高结合能端的背底电子多，表现为 谱峰在高能端的背底高，低能端的背底低； 同层上的光电子，内角量子数愈大，谱线强度就愈大； 常见的强光电子峰有1s、2p3/2、3d5/2、4f7/2等。
设光电子的速度为v，质量为m，电荷为e，球场中半径为r处的电场 强度为E(r)，则光电子受的电场力为eE(r)，动能为
eE(r) m v2 r
光电子动能：
Ek
1 mv2 2
1 m erE(r) 2m
erE(r) 2
通过调节电压U 的大小，就在出
两球面之间电势：
(r)
(
1
U
1
)
(1 r
1 r2
)
四、谱峰的种类
五、应用
1）定性分析 2）定量分析 3）化学态分析 1．定性分析 待定样品的光电子能谱即实测光电子能谱本质上是其组成元素的标准光电子能谱的组 合，因此，可以由实测光电子能谱结合各组成元素的标准光电子能谱，找出各谱线的归 属，确定组成元素，从而对样品进行定性分析。
2．定量分析 定量分析是根据光电子信号的强度与样品表面单位体积内的所含原子数成正比的关系， 由光电子的信号强度确定元素浓度的方法，常见的定量分析方法有理论模型法、灵敏度因 子法、标样法等，使用较广的是灵敏度因子法。其原理和分析过程与俄歇电子能谱分析中 的灵敏度因子法相似，即
光电子的动能， 而是其结合能。
3．检测器 功能是对从电子能量分析器中出来的不同能量的光电子信号进行检测。
4．高真空系统 具有以下两个基本功能：1）保证光电子在能量分析器中尽量不再与其他残余气体分
设光电子的速度为v，质量为m，电荷为e，球场中半径为r处的电场 强度为E(r)，则光电子受的电场力为eE(r)，动能为
eE(r) m v2 r
光电子动能：
Ek
1 mv2 2
1 m erE(r) 2m
erE(r) 2
通过调节电压U 的大小，就在出
两球面之间电势：
(r)
(
1
U
1
)
(1 r
1 r2
)
四、谱峰的种类
五、应用
1）定性分析 2）定量分析 3）化学态分析 1．定性分析 待定样品的光电子能谱即实测光电子能谱本质上是其组成元素的标准光电子能谱的组 合，因此，可以由实测光电子能谱结合各组成元素的标准光电子能谱，找出各谱线的归 属，确定组成元素，从而对样品进行定性分析。
2．定量分析 定量分析是根据光电子信号的强度与样品表面单位体积内的所含原子数成正比的关系， 由光电子的信号强度确定元素浓度的方法，常见的定量分析方法有理论模型法、灵敏度因 子法、标样法等，使用较广的是灵敏度因子法。其原理和分析过程与俄歇电子能谱分析中 的灵敏度因子法相似，即
光电子的动能， 而是其结合能。
3．检测器 功能是对从电子能量分析器中出来的不同能量的光电子信号进行检测。
4．高真空系统 具有以下两个基本功能：1）保证光电子在能量分析器中尽量不再与其他残余气体分
第五章-X射线光电子能谱
§5.2 光电子能谱实验技术
二、XPS的测定 (一) 样品的制备与安装 一般情况下，尤其在分析样品自然表面时，无须制备，不 然在任何制备方法均易改变样品表面组分。但分析前，样品 表面必须去除易挥发的污染物。
§5.2 光电子能谱实验技术
(二) 仪器校正 ① 常用纯度大于99.8%的Cu标样来校正谱仪的能量标尺； ② 采用窄扫描(≤20 eV)以及高分辨率(分析器的通过能量 约为20 eV)的收谱方式。
Ni-P合金中P的2p XPS谱
P2O5 中 的 磷
a 清洁表面； b 1barO2、403K氧化1小时
§5.3 光电子能谱的应用
一、元素及其化学态的定性分析 元素(及其化学状态)的定性分析：以实测光电子谱图与标准 谱图相对照，根据元素特征峰位置(结合能及其化学位移)确定 固态样品表面存在哪些元素及这些元素存在于何种化合物中。 常用的Perkin-Elmer公司的XPS手册载有从H开始的各种元 素的标准谱图(以Al Kα和Mg Kα为激发源)，谱图中有光电子谱 峰与俄歇谱峰位置并附有化学位移数据。
§5.1 光电子能谱分析的基本原理
(三)结合能位移、化学位移 结合能位移: 原子内壳层电子的结合能与核内电荷和核外电荷 的分布有关，任何引起电荷分布发生变化的因素都会使原子内 层电子的结合能产生变化。在XPS谱上可以看到谱峰的位移，这 种现象称为电子结合能位移。 化学位移：由于原子处于不同的化学环境而引起的结合能位 移。化学位移可正可负。 化学位移量与价电子所处氧化态的程度和数目有关，氧 化态愈高，则化学位移愈大。
§5.1 光电子能谱分析的基本原理
XPS的优点： ① 获得丰富的化学信息， ② 对样品的损伤最轻微的， ③ 定量也是最好的。 缺点： 照射面积大，不适于微区分析（100μm直径小面积微区）。
《X射线光电子能谱》课件
3 3. 问题探讨和建议
鼓励听众思考和讨论涉及 X射线光电子能谱的问题， 并提供相关研究建议。
3
3. 统计研究实验中的应用，以及如何进行误差分析和数据可靠性评 估。
第四部分：X射线光电子能谱的应用案例
1. 反应机理和反应动力学 的研究
探索X射线光电子能谱在研究化 学反应机理和反应动力学中的应 用案例。
2. 材料表征和界面分析
展示X射线光电子能谱在材料表 征和界面分析中的实际应用，如 薄膜表面分析和纳米材料研究。
3. 化学成分分析
说明X射线光电子能谱在化学成 分分析中的优势，如表面元素含 量检测和化学状态表征。
第五部分：X射线光电子能谱的研究进 展和展望
1 1. 新技术和新方法的发展
预测X射线光电子能谱领域未来的发展方向，包括新的仪器技术和数据处理方法。
2 2. 应用领域的拓展
展望X射线光电子能谱在新的应用领域，如生物医学、能源材料和环境科学等方面的发展。
2 2. 光电效应原理
深入解释X射线光电子能谱的定义和原理，以 及如何通过光电效应获得材料表面化学信息。
讲解光电效应的基本概念和原理，以及光电 子发射的条件和限制。
3 3. 能量分辨率和解析度的概念
4 4. 应用领域
介绍X射线光电子能谱的能量分辨率和解析度 是如何影响数据质量和实验结果的。
探讨X射线光电子能谱在材料科学、化学分析、 表面物理和界面研究等领域的广泛应用。
3 3. 未来的发展方向
探讨X射线光电子能谱可能的未来发展方向，如高分辨率、原位研究和多模态分析等。
总结
1 1. X射线光电子能谱
的优势和特点
总结X射线光电子能谱作 为表面分析技术的独特优 势，如高灵敏度、非破坏 性等特点。
材料试验方法X射线衍射X射线光电子能谱PPT课件
• 峰位2 = 36.8 • 积分宽 = 0.358（经校正后）， • = 1.5406 Å ， • 代如公式有 D-MnO2（131） = 260 Å
结晶度的测定
结晶度（％）Ｘｃ＝Ｋ・
Ｉｃ Ｉｔ
Ｉｃ：晶体衍射强度 Ｉｔ：全部的X射线散射强度
结晶度测定实例
结晶度计算
XC= I/（Ia+IC）×100%
计算晶胞参数等 2 . 峰强 计算物相含量，计算结晶度 3 . 峰形 估计结晶度高低，计算晶粒尺寸
1. 晶体样品的物相分析
我们说X射线衍射最主要的用途是定性物相分析。它不仅得到了化学工作者的重视，而且也吸引 了其它领域工作者的注意。现在X射线衍射法已成为科学技术上应用相当广泛的方法之一，遍及物理、 化学、矿物、岩石、金相、冶金、陶瓷、水泥等各个科学技术领域，成为生产和科学研究中重要的有 些领域甚至是不可缺少的分析工具。
根据晶粒大小还可以计算出晶胞的堆垛层数
N=D101/d101=21.5/0.352=61
根据晶粒大小，还可以计算纳米粉体的比表面积
当已知纳米材料的晶体密度r和晶粒大小 利用公式 s=6/rD进行比表面计算
小角X射线衍射
在纳米多层膜材料中，两薄膜层材料反复重叠，形成 调制界面 周期良好的调制界面，产生相干衍射，形成明锐的衍 射峰 对于制备良好的小周期纳米多层膜可以用小角度XRD方 法测定其调幅周期 大周期多层膜调制界面的XRD衍射峰因衍射角度太小而 无法观察
X射线定性物相分析的特点
1. X 射线多晶分析能确切地指出物相； 2. 无损检测，测定后可回收另作它用； 3. 所需试样少。一般1～2g，甚至几百mg； 4. 同分异构体及多价态元素的含量分析。
X射线定性物相分析的局限性
结晶度的测定
结晶度（％）Ｘｃ＝Ｋ・
Ｉｃ Ｉｔ
Ｉｃ：晶体衍射强度 Ｉｔ：全部的X射线散射强度
结晶度测定实例
结晶度计算
XC= I/（Ia+IC）×100%
计算晶胞参数等 2 . 峰强 计算物相含量，计算结晶度 3 . 峰形 估计结晶度高低，计算晶粒尺寸
1. 晶体样品的物相分析
我们说X射线衍射最主要的用途是定性物相分析。它不仅得到了化学工作者的重视，而且也吸引 了其它领域工作者的注意。现在X射线衍射法已成为科学技术上应用相当广泛的方法之一，遍及物理、 化学、矿物、岩石、金相、冶金、陶瓷、水泥等各个科学技术领域，成为生产和科学研究中重要的有 些领域甚至是不可缺少的分析工具。
根据晶粒大小还可以计算出晶胞的堆垛层数
N=D101/d101=21.5/0.352=61
根据晶粒大小，还可以计算纳米粉体的比表面积
当已知纳米材料的晶体密度r和晶粒大小 利用公式 s=6/rD进行比表面计算
小角X射线衍射
在纳米多层膜材料中，两薄膜层材料反复重叠，形成 调制界面 周期良好的调制界面，产生相干衍射，形成明锐的衍 射峰 对于制备良好的小周期纳米多层膜可以用小角度XRD方 法测定其调幅周期 大周期多层膜调制界面的XRD衍射峰因衍射角度太小而 无法观察
X射线定性物相分析的特点
1. X 射线多晶分析能确切地指出物相； 2. 无损检测，测定后可回收另作它用； 3. 所需试样少。一般1～2g，甚至几百mg； 4. 同分异构体及多价态元素的含量分析。
X射线定性物相分析的局限性
X射线光电子谱_图文.
• 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。
XPS定性分析
• 由于X射线激发源的光子能量较高，可以同时激 发出多个原子轨道的光电子，因此在XPS谱图上 会出现多组谱峰。由于大部分元素都可以激发出 多组光电子峰，因此可以利用这些峰排除能量相 近峰的干扰，非常有利于元素的定性标定。 • 此外，由于相近原子序数的元素激发出的光电子 的结合能有较大的差异，因此相邻元素间的干扰 作用很小。
2. 离子束溅射技术
• 在X射线光电子能谱分析中，为了清洁被污染的固体表面， 常常利用离子枪发出的离子束对样品表面进行溅射剥离， 清洁表面。
• 离子束更重要的应用则是样品表面组分的深度分析。利用 离子束可定量地剥离一定厚度的表面层，然后再用XPS分 析表面成分，这样就可以获得元素成分沿深度方向的分布 图，即深度剖析。
特征：
XPS用能量为1000～1500eV的射线源，能激发内层 电子。各种元素内层电子的结合能是有特征性的，因 此可以用来鉴别化学元素。
UPS采用HeI(21.2eV)或HeII(40.8eV)作激发源。与X 射线相比能量较低，只能使原子的价电子电离，用于 研究价电子和能带结构的特征。 AES大都用电子作激发源，因为电子激发得到的俄歇 电子谱强度较大。
电子能谱学
华南理工大学 材料科学与工程学院
电子能谱包括
根据激发源的不同，电子能谱又分为: X射线光电子能谱(简称 XPS) (X-Ray Photoelectron Spectrometer) 紫外光电子能谱(简称 UPS) (Ultraviolet Photoelectron Spectrometer) 俄歇电子能谱(简称 AES) (Auger Electron Spectrometer)
XPS定性分析
• 由于X射线激发源的光子能量较高，可以同时激 发出多个原子轨道的光电子，因此在XPS谱图上 会出现多组谱峰。由于大部分元素都可以激发出 多组光电子峰，因此可以利用这些峰排除能量相 近峰的干扰，非常有利于元素的定性标定。 • 此外，由于相近原子序数的元素激发出的光电子 的结合能有较大的差异，因此相邻元素间的干扰 作用很小。
2. 离子束溅射技术
• 在X射线光电子能谱分析中，为了清洁被污染的固体表面， 常常利用离子枪发出的离子束对样品表面进行溅射剥离， 清洁表面。
• 离子束更重要的应用则是样品表面组分的深度分析。利用 离子束可定量地剥离一定厚度的表面层，然后再用XPS分 析表面成分，这样就可以获得元素成分沿深度方向的分布 图，即深度剖析。
特征：
XPS用能量为1000～1500eV的射线源，能激发内层 电子。各种元素内层电子的结合能是有特征性的，因 此可以用来鉴别化学元素。
UPS采用HeI(21.2eV)或HeII(40.8eV)作激发源。与X 射线相比能量较低，只能使原子的价电子电离，用于 研究价电子和能带结构的特征。 AES大都用电子作激发源，因为电子激发得到的俄歇 电子谱强度较大。
电子能谱学
华南理工大学 材料科学与工程学院
电子能谱包括
根据激发源的不同，电子能谱又分为: X射线光电子能谱(简称 XPS) (X-Ray Photoelectron Spectrometer) 紫外光电子能谱(简称 UPS) (Ultraviolet Photoelectron Spectrometer) 俄歇电子能谱(简称 AES) (Auger Electron Spectrometer)
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KE=电子动能 （Electron Kinetic Energy）
spec= 谱学功函数或电子反冲能 （Spectrometer Work Function）
谱学功函数极小，可略去， 得到 KE = hv - BE ：
3 元素不同，其特征的电子键能不同。测量电子动能KE ，就得到对应每种元素的一系列BE-光电子能谱，就得 到电子键能数据。
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。
XPS的仪器Instrumentation for XPS
XPS的仪器Instrumentation for XPS
钯的XPS（XPS spectrum obtained from a Pd metal
六 XPS（AES)的应用：
1元素定性 2 定量分析 3 元素价态、结合态的研究。
实例1： 木乃依所用的颜料分析
4 谱峰强度代表含量，谱峰位置的偏移代表价态与环境的 变化-化学位移。
四 XPS的仪器Instrumentation for XPS
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；
2被激发的电子能量可用下式表示：
KE = hv - BE - spec 式中
hv=入射光子（X射线或UV）能量
h=Planck constant ( 6.62 x 10-34 J s ),
v - frequency (Hz)
BE=电子键能或结合能、电离能（Electron Binding Energy）
Conduction Band Valence Band
Free Electron Level
Fermi Level
2p
L2,L3
2s
L1
1s
K
1电磁波使内层电子激发，并逸出表面成为光电子，测量被 激发的电子能量就得到XPS， 不同元素种类、不同元素 价态、不同电子层(1s, 2s, 2p等)所产生的XPS不同。
二次离子质谱SIMS: Secondary Ion Mass Spectrometry
溅射中性质谱SNMS: Sputtered Neutral Mass Spectrometry
离子扫描能谱ISS: Ion Scattering Spectroscopy
二 XPS的概念
XPS也叫ESCA（ Electron Spectroscopy for Chemical Analysis），是研究表面成分的重要手段。 原理是光电效应（photoelectric effect）。1960’s 由 University of Uppsala, Sweden 的Kai Siegbahn等发 展。 EMPA中X射线穿透大，造成分析区太深。而由于电 子穿透小，深层所产生的电子不出现干扰，所以可对 表面几个原子层进行分析。 （吸附、催化、镀膜、离子交换等领域）
五俄歇电子能谱 AES(Auger electron Spectrocopy)
光子作用下： K层电离； L层补充跃迁；能量使另一层L电子激发成AuE。 即双级电离过程： A*+=A 2++e-。
AES特点：
1 受价态影响； 2 受结合态影响； 3 受表面势垒影响。
与XPS相比， 优点如下： 1 可用电子激发， 并形成聚焦（XPS只能用X、UV）； 2可扫描得到AuE象， 直观反映表面； 3电子束流可调小， 使空间分辨率提高。
X-射线光电子能谱 XPS: X-ray Photoelectron Spectroscopy
俄歇能谱 AES: Auger Electron Spectroscopy
电子能量损失谱 EELS: Electron Energy Loss Spectroscopy
2 离子谱学 Ion Spectroscopies
sample using Mg Ka radiation) ; 主峰在330, 690, 720, 910 and 920 eV。将KE转换为BE， 得到下页图-注意坐标左右颠倒。
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。
例：试作出在Mg Ka ( hn = 1253.6 eV ) 作用下Na的XPS示意谱图， Na的能级 分布如右图。
解：由KE = hv - BE ,
KE1s = ( 1253.6 - 1072 ) = 182 eV KE2s = ( 1253.6 - 64 ) = 1190 eV KE2p = ( 1253.6 - 31 ) = 1223 eV
X-ray Beamபைடு நூலகம்
X-ray penetration depth ~1mm. Electrons can be excited in this entire volume.
Electrons are extracted only from a narrow solid angle.
10 nm 1 mm2
X-ray excitation area ~1x1 cm2. Electrons are emitted from this entire area
三 光电效应 （Photoelectric Process）
光：Incident X-ray
发射出的光电子Ejected Photoelectron
第五章 X-射线光电子能谱(X-ray Photoelectron Spectroscopy
(XPS) ESCA)
一 概述
表面分析技术 (Surface Analysis)是对材料外层(the Outer-Most Layers of Materials (<100 ))的研究的 技术。包括：
1 电子谱学(Electron Spectroscopies)
spec= 谱学功函数或电子反冲能 （Spectrometer Work Function）
谱学功函数极小，可略去， 得到 KE = hv - BE ：
3 元素不同，其特征的电子键能不同。测量电子动能KE ，就得到对应每种元素的一系列BE-光电子能谱，就得 到电子键能数据。
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。
XPS的仪器Instrumentation for XPS
XPS的仪器Instrumentation for XPS
钯的XPS（XPS spectrum obtained from a Pd metal
六 XPS（AES)的应用：
1元素定性 2 定量分析 3 元素价态、结合态的研究。
实例1： 木乃依所用的颜料分析
4 谱峰强度代表含量，谱峰位置的偏移代表价态与环境的 变化-化学位移。
四 XPS的仪器Instrumentation for XPS
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；
2被激发的电子能量可用下式表示：
KE = hv - BE - spec 式中
hv=入射光子（X射线或UV）能量
h=Planck constant ( 6.62 x 10-34 J s ),
v - frequency (Hz)
BE=电子键能或结合能、电离能（Electron Binding Energy）
Conduction Band Valence Band
Free Electron Level
Fermi Level
2p
L2,L3
2s
L1
1s
K
1电磁波使内层电子激发，并逸出表面成为光电子，测量被 激发的电子能量就得到XPS， 不同元素种类、不同元素 价态、不同电子层(1s, 2s, 2p等)所产生的XPS不同。
二次离子质谱SIMS: Secondary Ion Mass Spectrometry
溅射中性质谱SNMS: Sputtered Neutral Mass Spectrometry
离子扫描能谱ISS: Ion Scattering Spectroscopy
二 XPS的概念
XPS也叫ESCA（ Electron Spectroscopy for Chemical Analysis），是研究表面成分的重要手段。 原理是光电效应（photoelectric effect）。1960’s 由 University of Uppsala, Sweden 的Kai Siegbahn等发 展。 EMPA中X射线穿透大，造成分析区太深。而由于电 子穿透小，深层所产生的电子不出现干扰，所以可对 表面几个原子层进行分析。 （吸附、催化、镀膜、离子交换等领域）
五俄歇电子能谱 AES(Auger electron Spectrocopy)
光子作用下： K层电离； L层补充跃迁；能量使另一层L电子激发成AuE。 即双级电离过程： A*+=A 2++e-。
AES特点：
1 受价态影响； 2 受结合态影响； 3 受表面势垒影响。
与XPS相比， 优点如下： 1 可用电子激发， 并形成聚焦（XPS只能用X、UV）； 2可扫描得到AuE象， 直观反映表面； 3电子束流可调小， 使空间分辨率提高。
X-射线光电子能谱 XPS: X-ray Photoelectron Spectroscopy
俄歇能谱 AES: Auger Electron Spectroscopy
电子能量损失谱 EELS: Electron Energy Loss Spectroscopy
2 离子谱学 Ion Spectroscopies
sample using Mg Ka radiation) ; 主峰在330, 690, 720, 910 and 920 eV。将KE转换为BE， 得到下页图-注意坐标左右颠倒。
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。
例：试作出在Mg Ka ( hn = 1253.6 eV ) 作用下Na的XPS示意谱图， Na的能级 分布如右图。
解：由KE = hv - BE ,
KE1s = ( 1253.6 - 1072 ) = 182 eV KE2s = ( 1253.6 - 64 ) = 1190 eV KE2p = ( 1253.6 - 31 ) = 1223 eV
X-ray Beamபைடு நூலகம்
X-ray penetration depth ~1mm. Electrons can be excited in this entire volume.
Electrons are extracted only from a narrow solid angle.
10 nm 1 mm2
X-ray excitation area ~1x1 cm2. Electrons are emitted from this entire area
三 光电效应 （Photoelectric Process）
光：Incident X-ray
发射出的光电子Ejected Photoelectron
第五章 X-射线光电子能谱(X-ray Photoelectron Spectroscopy
(XPS) ESCA)
一 概述
表面分析技术 (Surface Analysis)是对材料外层(the Outer-Most Layers of Materials (<100 ))的研究的 技术。包括：
1 电子谱学(Electron Spectroscopies)