xps能谱分析
XPS定性分析和图谱解析
第四章定性分析和谱图诠释●XPS和AES的表面灵敏特性，再加上非结构破坏性测试能力和可获得化学态信息的能力，使其成为表面分析的极有力工具。
●定性分析主要是鉴定物质的元素组成及其化学状态。
●XPS还可以进行官能团分析和混合物分析。
●XPS定性分析的相对灵敏度约为0.1%。
一、电子能谱图的一般特性●在XPS谱图中可观察到几种类型的谱峰。
●一部分是基本的并总可观察到—初级结构●另一些依赖于样品的物理和化学性质—次级结构●光电发射过程常被设想为三步（三步模型）：●光吸收和电离（初态效应）；●原子响应和光电子发射（终态效应）；●电子向表面输运并逸出（外禀损失）。
●所有这些过程都对XPS谱的结构有贡献。
1、XPS谱图的初级结构(1). 光电子谱线(photoelectron lines)●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。
●最强的光电子线是谱图中强度最大、峰宽最小、对称性最好的谱峰，称为XPS的主谱线。
每一种元素都有自己的具有表征作用的光电子线。
它是元素定性分析的主要依据。
●光电子峰的标记:以光电子发射的元素和轨道来标记，如●C1s，Ag3d5/2等●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。
光电子谱线➢峰位置(结合能)。
与元素及其能级轨道和化学态有关。
➢峰强度。
与元素在表面的浓度和原子灵敏度因子成正比。
➢对称性。
金属中的峰不对称性是由金属E F附近小能量电子-空穴激发引起，即价带电子向导带未占据态跃迁。
不对称度正比于费米能级附近的电子态密度。
➢峰宽(FWHM)光电子线的谱线宽度来自于样品元素本质信号的自然宽度、X射线源的自然线宽、仪器以及样品自身状况的宽化因素等四个方面的贡献。
一般峰宽值在0.8~2.2 eV之间。
XPS原理及分析
XPS原理及分析在材料科学、化学、物理学等众多领域中，X 射线光电子能谱（XPS）是一种极为重要的表面分析技术。
它能够为我们提供有关材料表面元素组成、化学状态以及电子结构等丰富而有价值的信息。
XPS 的基本原理建立在光电效应之上。
当一束具有一定能量的 X 射线照射到样品表面时，会将样品原子中的内层电子激发出来，形成光电子。
这些光电子具有特定的动能，其大小取决于入射 X 射线的能量以及被激发电子所在的原子轨道的结合能。
结合能是 XPS 分析中的一个关键概念。
它代表了将一个电子从原子的某个能级中移走所需的能量。
不同元素的原子，其各个能级的结合能是特定且固定的，就像每个人都有独特的指纹一样。
通过测量光电子的动能，我们可以根据能量守恒原理计算出其结合能。
然后，将所得的结合能与已知元素的标准结合能进行对比，就能确定样品表面存在哪些元素。
不仅如此，XPS 还能够提供有关元素化学状态的信息。
同一元素在不同的化学环境中，其结合能会发生微小的变化，这种变化被称为化学位移。
比如，氧化态的变化会导致结合能的改变。
通过对化学位移的分析，我们可以了解元素的价态、化学键的类型以及化合物的组成等重要信息。
在进行 XPS 分析时，仪器的组成和工作方式也十分关键。
XPS 仪器通常包括 X 射线源、样品室、能量分析器和探测器等主要部分。
X 射线源产生用于激发光电子的 X 射线，常用的有单色化的Al Kα 和Mg Kα 射线。
样品室用于放置和处理样品，要确保样品在分析过程中的稳定性和纯净度。
能量分析器则负责将不同动能的光电子分开，以便准确测量其能量。
探测器则将光电子信号转化为电信号，进而被计算机处理和分析。
为了获得准确可靠的 XPS 数据，样品的制备和处理至关重要。
样品表面必须清洁、平整，无污染物和氧化层。
对于一些特殊的样品，可能需要进行预处理，如离子溅射、退火等操作，以获得真实反映样品本征性质的结果。
在数据分析方面，首先要对原始数据进行校正，包括荷电校正和能量标度校正。
XPS能谱分析方法及原理
( X-ray Photoelectron Spectroscopy )
主要内容：
• • • • • • • • • XPS 的发展 基本概念 XPS 的工作流程及原理 XPS谱线中伴峰的来源 XPS谱图中伴峰的鉴别 利用XPS谱图鉴别物质 XPS的实验方法 XPS谱图的解释步骤 XPS 的特点
• 样品的安装：
一般是把粉末样品粘在双面胶带上或压入铟箔（或 金属网）内，块状样品可直接夹在样品托上或用导 电胶带粘在样品托上进行测定。 其它方法： 1.压片法：对疏松软散的样品可用此法。 2.溶解法：将样品溶解于易挥发的有机溶剂中，然 后将其滴在样品托上让其晾干或吹干后再进行测量。 3.研压法：对不易溶于具有挥发性有机溶剂的样品， 可将其少量研压在金箔上，使其成一薄层，再进行 测量。
过滤窗
样品室 能量分析器 检测器
真空系统 (1.33×10-5—1.33×10-8Pa)
磁屏蔽系统(～1×10-8T)
扫描和记录系统
XPS 的工作原理：
X-ray 样品
电离放出光电子
能量分析器
检测器 e-
（记录不同能量的电子数目） 光 电 hν(X-ray) 子 产 生 过 程 ： A(中性分子或原子)+ hν(X-ray)
• 利用俄歇化学位移标 识谱图鉴定物质：
如：Cu与CuO的化学位移为0.4eV Ag与Ag2SO4化学位移为0.1eV 而对它们来说俄歇化学位移相当大。
105 2P1/2
2P3/2
Si 2p
电子结合能（eV）
95
XPS的实验方法：
• 样品的预处理 ：（对固体样品）
1.溶剂清洗（萃取）或长时间抽真空除表面污染物。 2.氩离子刻蚀除表面污物。注意刻蚀可能会引起表 面化学性质的变化（如氧化还原反应）。 3.擦磨、刮剥和研磨。对表理成分相同的样品可用 SiC(600#)砂纸擦磨或小刀刮剥表面污层；对粉末 样品可采用研磨的方法。 4.真空加热。对于能耐高温的样品，可采用高真空 下加热的办法除去样品表面吸附物。
XPS原理及分析
XPS原理及分析在现代材料科学和表面分析领域中，X 射线光电子能谱（XPS）是一种极其重要的分析技术。
它能够为我们提供有关材料表面化学组成、元素价态以及化学环境等丰富而关键的信息。
XPS 的基本原理基于爱因斯坦的光电效应。
当一束 X 射线照射到样品表面时，它具有足够的能量将样品中的原子内层电子激发出来，形成光电子。
这些光电子的能量分布与样品中原子的电子结合能直接相关。
电子结合能是指将一个电子从原子的某个能级中移到无穷远处所需的能量。
不同元素的原子，其内层电子的结合能是特定的，而且同一元素在不同化学环境中，其电子结合能也会有所差异。
这就为 XPS 分析元素组成和化学状态提供了基础。
具体来说，通过测量从样品表面发射出的光电子的能量，我们可以确定样品中存在哪些元素。
每种元素都有其独特的一系列结合能特征峰。
比如，碳元素在不同的化学环境中，其结合能可能在 2846 eV 左右（纯碳），但如果与氧形成某些化学键，结合能就会发生偏移。
在进行 XPS 分析时，首先需要将待分析的样品放入高真空的分析室中。
这是因为光电子非常容易与空气中的分子发生碰撞而损失能量，从而影响测量结果的准确性。
X 射线源通常采用铝（Al）或镁（Mg）的靶材，产生的 X 射线具有特定的能量。
这些 X 射线照射到样品表面后，激发出来的光电子经过能量分析器进行分析。
能量分析器可以将不同能量的光电子按照能量大小进行分离，并最终由探测器检测到。
得到的 XPS 谱图中，横坐标通常表示光电子的结合能，纵坐标则表示光电子的相对强度。
通过对谱图中峰的位置、形状和强度的分析，可以获得大量有关样品的信息。
对于元素的定性分析，我们主要依据特征峰的位置来确定样品中存在的元素种类。
而对于定量分析，则需要根据峰的强度来计算各元素的相对含量。
但这并不是简单的比例关系，因为不同元素的光电子发射截面、仪器的传输效率等因素都会对强度产生影响，所以需要采用特定的校正方法来进行准确的定量分析。
电子能谱分析XPS和AES
电子能谱分析XPS和AES电子能谱分析（Electronic Spectroscopy）是一种用来研究材料表面的化学成分和电子结构的技术。
常用的电子能谱分析方法有X射线光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS）和反射能量损失光谱（Auger Electron Spectroscopy, AES）。
X射线光电子能谱（XPS）是一种通过照射样品表面并测量逸出电子能量来获取有关材料表面成分和电子状态的信息的分析技术。
XPS的原理基于光电效应，即被照射的样品会产生光电子，这些光电子的能量和数量与样品的化学成分和电子状态有关。
通过分析逸出电子的能谱，可以得到材料的化学成分、元素的氧化态和电子能级等信息。
XPS的实验装置主要由以下几个部分组成：X射线源、能谱分析器、逸出电子探测器和数据处理系统。
首先，样品被置于真空室中，并由X射线源产生的X射线照射。
X射线会使样品表面的原子或分子发生光电效应，逸出的光电子经过能谱分析器的光学元件进行能量分析。
最后，逸出电子被探测器捕获，并由数据处理系统进行分析和展示。
XPS的主要应用领域包括材料科学、表面化学和界面物理等。
通过XPS，可以定量确定样品表面的化学成分，并且可以分析不同化学状态的元素。
此外，XPS还可以提供有关样品表面化学反应和电子能带结构等信息。
XPS广泛应用于材料研究、催化剂表征、薄膜和界面研究等领域。
反射能量损失光谱（Auger Electron Spectroscopy, AES）是另一种常用的电子能谱分析方法。
AES是一种利用样品表面产生的俄歇电子进行表征的技术。
与XPS类似，AES也是一种通过照射样品表面并测量逸出电子能谱来获取有关材料表面成分和电子结构的信息。
AES的原理基于俄歇电子效应，即当X射线或电子束照射在样品表面时，被照射的原子会发生电离，产生一个空位。
然后，另一个外层电子会填补进空位，并释放出一个能量等于原位电子之间跃迁能量差的电子，称为俄歇电子。
XPS原理及分析
XPS原理及分析X射线光电子能谱（XPS）是一种表面分析技术，利用X射线入射样品表面，通过测量样品表面上逸出的光电子的能谱来确定样品表面元素的化学性质及其表面态的信息。
XPS技术具有高表面敏感性、定性和定量分析的能力，因此在材料科学、化学、地球科学、生物医学和环境科学等领域得到广泛应用。
XPS原理基于“薄物质”理论，即在入射X射线束与物质相互作用时，只有较薄表面层中的电子才能逃逸到空间中并被探测器所接收。
这是由于较低能的光电子受到表面电势井的束缚，而高能电子则受到较深层电势井的束缚，因此只有能量较高的光电子能够逃逸。
通过测量逸出光电子的能谱，可以得到逸出光电子的能量和强度信息，进一步分析可以确定元素的化学状态和表面化学键的信息。
XPS分析的过程包括样品的准备、X射线的入射和光电子的测量。
首先，样品必须准备成纯度较高的固体或薄膜，并且表面应该光滑、洁净，避免杂质和氧化层的影响。
然后，通过X射线源入射样品表面，激发样品表面的光电子，并且通过能量分析器将光电子按能量进行分散。
最后，光电子通过一个探测器接收并进行能谱测量。
XPS技术可以提供多种信息。
首先，通过测量各元素光电子能谱的能量峰位置，可以确定样品表面的元素组成。
其次，通过能峰的形状和峰的宽度，可以得到元素的化学状态和价态信息。
此外，还可以测量光电子的相对强度，用于定量分析元素的表面含量。
最后，通过X射线光电子能谱成像技术，可以获得样品表面的化学状态和形貌分布信息。
XPS技术具有许多优点。
首先，具有高表面敏感性，能够测量样品表面几个纳米的深度范围。
其次，可以进行原位和无损分析，不需要对样品进行特殊处理或破坏性操作。
此外，具有化学态信息和定量分析的能力，可以提供元素和化学键的详细信息。
最后，XPS技术还可以进行X射线光电子能谱成像，可以获得元素和化学状态的空间分布图像。
总之，XPS技术是一种强大的表面分析技术，具有高表面敏感性、定性和定量分析的能力，已经在多个领域得到广泛应用。
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。
XPS原理及分析
XPS原理及分析X射线光电子能谱（XPS）是一种用于研究固体表面化学性质的表面分析方法。
它利用X射线照射样品表面，通过测量样品表面光电子的能谱，来获得样品表面元素的化学状态、化学成分以及化学性质的信息。
XPS的基本原理是根据光电效应：当X射线通过样品表面时，部分X射线会被样品上的原子吸收，从而使得原子的内层电子被激发出来。
这些激发出的电子称为光电子。
光电子的能量与原子的内层电子能级相关，不同元素的光电子能谱特征能量不同。
通过测量光电子的能量分布，可以推断出样品表面元素的化学状态和化学成分。
XPS分析的步骤如下：1.准备样品：样品必须是固体，并且表面必须是光滑、干净、无杂质的。
样品可以是块状、薄膜或粉末。
2.X射线照射：样品放在真空室中，通过X射线照射样品表面。
X射线能量通常在200-1500eV之间。
3.光电子发射：被照射的样品会发射出光电子。
光电子的能量与原子的内层电子能级有关。
4.能谱测量：收集并测量光电子的能量分布。
能谱中的光电子峰表示不同元素的化学状态和存在量。
5.数据分析：根据能谱中的光电子峰的位置和峰面积，可以推断出样品表面元素的化学状态和存在量。
XPS的主要应用领域包括固体表面成分分析、材料表面效应研究、化学反应在表面的过程研究等。
XPS可以提供关于固体材料的表面化学性质、形态结构以及表面反应过程的有关信息，因此被广泛应用于材料科学、化学、表面物理等领域。
总结而言，XPS是一种非常有用的表面分析技术，可以提供有关固体表面化学性质和化学成分的信息。
通过测量光电子的能量分布，可以推断出样品表面元素的化学状态和存在量。
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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
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。
本章部分PPT图片由石和彬教授提供， 谨致 谢意！
完
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
Pb3O4
Egyptian Mummy 2nd Century AD World Heritage Museum University of Illinois
PbO2
C
O 150 145 140 135 130
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
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。 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
Free Electron Level Fermi Level
Conduction Band
Valence Band 2p 2s 1s L2,L3 L1 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。 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） KE=电子动能 （Electron Kinetic Energy） spec= 谱学功函数或电子反冲能 （Spectrometer Work Function）
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。
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-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
Binding Energy (eV)
Pb Pb
N Ca Na Cl
Pb
500
400
300
200
100
0
XPS analysis showed that the pigment used on the mummy wrapping was Pb3O4 rather than Fe2O3
Binding Energy (eV)
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）
X-ray Beam
Electrons are extracted only from a narrow solid angle.
X-ray penetration depth ~1mm. Electrons can be excited in this entire volume.
10 nm
1 mm2
2 离子谱学 Ion Spectroscopies
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
XPS的仪器Instrumentation for XPS
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
XPS的仪器Instrumentation for XPS
钯的XPS（XPS spectrum obtained from a Pd metal 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。