X射线光电子能谱分析PPT课件
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X-射线光电子能谱.ppt
电子结合能，电子就可从原子的各个能级发射出来。 但是，实际上物质在一定能量的光子作用下，从原 子中各个能级发射出的光电子数是不同的，也就是 说，原子中不同能级电子的光离子化几率不同。光 离子化几率可以用光电(效应)截面σ来表示 σ定义：某能级电子对入射光子有效能量转移面积
XPS－基本原理
光电截面是决定灵敏度的主要因素 影响因素：电子所在壳层的平均半径，
样品的制备
1. 样品的大小
• 在实验过程中样品必须通过传递杆，穿过超高真空隔离 阀，送进样品分析室。因此，样品的尺寸必须符合一定 的大小规范。
• 对于块体样品和薄膜样品，其长宽最好小于10 mm, 高 度小于5 mm。
• 对于体积较大的样品则必须通过适当方法制备成合适大 小的样品。
1
K
1s
13－33
2
L
2p
34－66
3
M
3d
67－71
4
N
4d
72－92
4
N
4f
XPS－基本原理
3.光电子逸出深度 自样品表面发射出的光电子，在穿过样品时，一部分
光电子会产生非弹性散射(即改变运动方向并有能量损 失的碰撞)。电子能谱所研究的信息深度取决于逸出电 子的非弹性散射平均自由程
电子逸出深度(平均自由程)是指电子在经受非弹性碰 撞前所经历的平均距离。
第八章X-射线光电子能谱
X-Ray Photoelectron Spectroscopy
表面:
一、表面分析概述
物质存在的一种形态，气态，液态，固态， 表面态
固体表面：
理想的---固体终端
实际的---体相性质开始变化，
5～20 nm数量级
表面特点：
XPS－基本原理
光电截面是决定灵敏度的主要因素 影响因素：电子所在壳层的平均半径，
样品的制备
1. 样品的大小
• 在实验过程中样品必须通过传递杆，穿过超高真空隔离 阀，送进样品分析室。因此，样品的尺寸必须符合一定 的大小规范。
• 对于块体样品和薄膜样品，其长宽最好小于10 mm, 高 度小于5 mm。
• 对于体积较大的样品则必须通过适当方法制备成合适大 小的样品。
1
K
1s
13－33
2
L
2p
34－66
3
M
3d
67－71
4
N
4d
72－92
4
N
4f
XPS－基本原理
3.光电子逸出深度 自样品表面发射出的光电子，在穿过样品时，一部分
光电子会产生非弹性散射(即改变运动方向并有能量损 失的碰撞)。电子能谱所研究的信息深度取决于逸出电 子的非弹性散射平均自由程
电子逸出深度(平均自由程)是指电子在经受非弹性碰 撞前所经历的平均距离。
第八章X-射线光电子能谱
X-Ray Photoelectron Spectroscopy
表面:
一、表面分析概述
物质存在的一种形态，气态，液态，固态， 表面态
固体表面：
理想的---固体终端
实际的---体相性质开始变化，
5～20 nm数量级
表面特点：
最新第八章 X射线光电子能谱(XPS) 有机波谱分析课件ppt课件
➢ 内层电子一方面受到原子核强烈的库仑作用而具有一定的结 合能，另一方面又受到外层电子的屏蔽作用。当外层电子密 度减少时，屏蔽作用将减弱，内层电子的结合能增加；反之 则结合能将减少。因此当被测原子的氧化价态增加，或与电 负性大的原子结合时，都导致其XPS峰将向结合能的增加方向 位移。
三氟化乙酸乙脂中四个不同C原子的C1s谱线。
诊断标准
下列症状中三项： ①发热 ②咽峡炎 ③颈淋巴结肿大 ④肝脏肿大 ⑤脾脏肿大
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
– EB病毒感染可导致免疫功能紊乱，发生与免疫系统功能紊乱相 关的多种疾病如淋巴瘤、传染性单核细胞增多症及类风湿关节 炎等 。
流行病学
传染源：带病毒者及病人为本病的传染源。 传播途径：经口鼻密切接触为主要传播途径，也可经飞沫（次要）
及输血传播（偶可发生）。 易感人群：人群普遍易感。但儿童青少年更多见。病后可获得持
久免疫，第二次发病不常见。
病因学
EB病毒为本病的病原，电镜下EB病毒的形态 结构与疱疹病毒组的其他病毒相似，但抗原性 不同。EB病毒为DNA病毒。
发病机理
EBV B淋巴细胞受体
咽扁桃体B淋巴细胞和 口腔上皮细胞
复制
细胞破坏
B淋巴细胞血液 唾液腺（腮腺）
三氟化乙酸乙脂中四个不同C原子的C1s谱线。
诊断标准
下列症状中三项： ①发热 ②咽峡炎 ③颈淋巴结肿大 ④肝脏肿大 ⑤脾脏肿大
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
– EB病毒感染可导致免疫功能紊乱，发生与免疫系统功能紊乱相 关的多种疾病如淋巴瘤、传染性单核细胞增多症及类风湿关节 炎等 。
流行病学
传染源：带病毒者及病人为本病的传染源。 传播途径：经口鼻密切接触为主要传播途径，也可经飞沫（次要）
及输血传播（偶可发生）。 易感人群：人群普遍易感。但儿童青少年更多见。病后可获得持
久免疫，第二次发病不常见。
病因学
EB病毒为本病的病原，电镜下EB病毒的形态 结构与疱疹病毒组的其他病毒相似，但抗原性 不同。EB病毒为DNA病毒。
发病机理
EBV B淋巴细胞受体
咽扁桃体B淋巴细胞和 口腔上皮细胞
复制
细胞破坏
B淋巴细胞血液 唾液腺（腮腺）
X射线光电子能谱课件
X射线光电子能谱课件
样品处理
l 制样方法必须恰当，才能得到正确的XPS谱图。XPS信 息来自样品表面几个到几十个原子层，因此在实验技术 上要保证所分析的样品表面能代表样品的固有表面。目 前XPS分析主要集中在固体样品表面。
l 无机样品常用的方法
1）溶剂清洗（萃取）或长时间抽真空，以除去试样表 面的污染物。例如，对不溶于溶剂的陶瓷或金属试样， 用乙醇或丙酮擦洗，再用蒸馏水洗掉溶剂，最后吹干或 烘干试样，达到去污的目的。
后者的优点是可在真空中对样品进行处理，其信号强度 也要比胶带法高得多。缺点是样品用量太大，抽到超高真 空的时间太长。
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X射线光电子能谱课件
样品处理
l 挥发性材料
对于含有挥发性物质的样品，在样品进入真空系 统前必须清除掉挥发性物质。
一般可以通过对样品加热或用溶剂清洗等方法。 在处理样品时，应该保证样品中的成份不发生化学 变化。
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X射线光电子能谱课件
检测器
l 检测器通常为单通道电子倍增器和多通道倍增
器。光电倍增管采用高抗阻，二次电子发射材 料，增益：109.
倍增器
光电子或俄歇电子流
10-4~1A
（10-13~10-9A）
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X射线光电子能谱课件
真空系统
l 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。
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X射线光电子能谱课件
样品处理
3）研压法，对不溶于易挥发有机溶剂的样品，可将少 量样品研磨在金箔上，使其形成薄层，再进行测定。 l 由于涉及到样品在超高真空中的传递和分析，待分析
样品处理
l 制样方法必须恰当，才能得到正确的XPS谱图。XPS信 息来自样品表面几个到几十个原子层，因此在实验技术 上要保证所分析的样品表面能代表样品的固有表面。目 前XPS分析主要集中在固体样品表面。
l 无机样品常用的方法
1）溶剂清洗（萃取）或长时间抽真空，以除去试样表 面的污染物。例如，对不溶于溶剂的陶瓷或金属试样， 用乙醇或丙酮擦洗，再用蒸馏水洗掉溶剂，最后吹干或 烘干试样，达到去污的目的。
后者的优点是可在真空中对样品进行处理，其信号强度 也要比胶带法高得多。缺点是样品用量太大，抽到超高真 空的时间太长。
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样品处理
l 挥发性材料
对于含有挥发性物质的样品，在样品进入真空系 统前必须清除掉挥发性物质。
一般可以通过对样品加热或用溶剂清洗等方法。 在处理样品时，应该保证样品中的成份不发生化学 变化。
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检测器
l 检测器通常为单通道电子倍增器和多通道倍增
器。光电倍增管采用高抗阻，二次电子发射材 料，增益：109.
倍增器
光电子或俄歇电子流
10-4~1A
（10-13~10-9A）
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X射线光电子能谱课件
真空系统
l 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。
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X射线光电子能谱课件
样品处理
3）研压法，对不溶于易挥发有机溶剂的样品，可将少 量样品研磨在金箔上，使其形成薄层，再进行测定。 l 由于涉及到样品在超高真空中的传递和分析，待分析
X射线光电子能谱分析ppt
在生物学领域，XPS技术可以用于研究生物分子的结 构、细胞表面的化学成分等。
02
x射线光电子能谱分析实验技术
样品的制备和处理技术
1 2
固体样品研磨
将固体样品研磨成粉末，以提高X射线的透射性 和激发效率。
液体样品处理
对于液体样品，需要进行蒸发、干燥等处理， 以便在实验过程中保持稳定的样品形态。
3
气体样品控制
THANK YOU.
细胞和组织成像
利用X射线光电子能谱分析可以研究细胞和组织的结构和功能 ，如细胞膜的通透性和细胞骨架的分布等。同时也可以测定 细胞内自由基的分布和数量，为抗氧化剂药物的设计提供依 据。
05
x射线光电子能谱分析的挑战和前景
实验技术的局限性
01
样品制备难度大
02
信号衰减问题
需要选择合适的样品制备方法，以减 少表面吸附物和污染物的干扰。
2023
x射线光电子能谱分析ppt
目录
• 引言 • x射线光电子能谱分析实验技术 • x射线光电子能谱分析在材料科学中的应用 • x射线光电子能谱分析在生物学中的应用 • x射线光电子能谱分析的挑战和前景 • 参考文献 • 结论
01
引言
x射线光电子能谱简介
x射线光电子能谱技术（XPS）是一种表面分析技术，用于测 量样品表面的元素组成和化学状态。
04
x射线光电子能谱分析在生物学中的 应用
在生物大分子结构研究中的应用
确定生物大分子中的元素组成
通过X射线光电子能谱分析，可以测定生物大分子中的元素组成，如蛋白质 、核酸和多糖等。
研究生物大分子结构
利用X射线光电子能谱分析可以研究生物大分子的结构，如蛋白质的三维构象 和核酸的二级结构等。
02
x射线光电子能谱分析实验技术
样品的制备和处理技术
1 2
固体样品研磨
将固体样品研磨成粉末，以提高X射线的透射性 和激发效率。
液体样品处理
对于液体样品，需要进行蒸发、干燥等处理， 以便在实验过程中保持稳定的样品形态。
3
气体样品控制
THANK YOU.
细胞和组织成像
利用X射线光电子能谱分析可以研究细胞和组织的结构和功能 ，如细胞膜的通透性和细胞骨架的分布等。同时也可以测定 细胞内自由基的分布和数量，为抗氧化剂药物的设计提供依 据。
05
x射线光电子能谱分析的挑战和前景
实验技术的局限性
01
样品制备难度大
02
信号衰减问题
需要选择合适的样品制备方法，以减 少表面吸附物和污染物的干扰。
2023
x射线光电子能谱分析ppt
目录
• 引言 • x射线光电子能谱分析实验技术 • x射线光电子能谱分析在材料科学中的应用 • x射线光电子能谱分析在生物学中的应用 • x射线光电子能谱分析的挑战和前景 • 参考文献 • 结论
01
引言
x射线光电子能谱简介
x射线光电子能谱技术（XPS）是一种表面分析技术，用于测 量样品表面的元素组成和化学状态。
04
x射线光电子能谱分析在生物学中的 应用
在生物大分子结构研究中的应用
确定生物大分子中的元素组成
通过X射线光电子能谱分析，可以测定生物大分子中的元素组成，如蛋白质 、核酸和多糖等。
研究生物大分子结构
利用X射线光电子能谱分析可以研究生物大分子的结构，如蛋白质的三维构象 和核酸的二级结构等。
x射线光电子能谱分析案例ppt课件
➢ 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。
.
21
8.2 光电子能谱仪实验技术
1．Ｘ射线激发源 2. 电子能量分析器
➢ 半球型电子能量分析器
➢ 筒镜式电子能量分析器
3. 检测器
4.真空系统
.
22
8.2 光电子能谱仪实验技术
1．Ｘ射线激发源XPS中最常用的X射线来自主要由灯丝、栅极和阳极 靶构成。
2
主要内容
➢ XPS的基本原理 ➢ 光电子能谱仪实验技术 ➢ X射线光电子能谱的应用
.
3
8.1 XPS的基本原理
XPS是由瑞典Uppsala大学的K. Siegbahn及其同事历经近20年的潜 心研究于60年代中期研制开发出的一种新型表面分析仪器和方法。鉴于 K. Siegbahn教授对发展XPS领域做出的重大贡献，他被授予1981年诺 贝尔物理学奖。
成静电场； 灵敏度高、分辨率低；
.
28
8.2 光电子能谱仪实验技术
3. 检测器
用电子倍增器检测电子数目。电子倍增器是一种 采用连续倍增电极表面的静电器件，内壁具有二次 发射性能。电子进入器件后在通道内连续倍增，增 益可达 109
.
29
8.2 光电子能谱仪实验技术
4.真空系统
1、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。
XPS谱图的背底随结.合能值的变化关系
34
8.2 光电子能谱仪实验技术
3. XPS峰强度的经验规律 （1）主量子数小的壳层
的峰比主量子数大 的峰强； （2）同一壳层，角量子 数大者峰强； （3）n和l都相同者，j大 者峰强。
.
35
8.2 光电子能谱仪实验技术
.
21
8.2 光电子能谱仪实验技术
1．Ｘ射线激发源 2. 电子能量分析器
➢ 半球型电子能量分析器
➢ 筒镜式电子能量分析器
3. 检测器
4.真空系统
.
22
8.2 光电子能谱仪实验技术
1．Ｘ射线激发源XPS中最常用的X射线来自主要由灯丝、栅极和阳极 靶构成。
2
主要内容
➢ XPS的基本原理 ➢ 光电子能谱仪实验技术 ➢ X射线光电子能谱的应用
.
3
8.1 XPS的基本原理
XPS是由瑞典Uppsala大学的K. Siegbahn及其同事历经近20年的潜 心研究于60年代中期研制开发出的一种新型表面分析仪器和方法。鉴于 K. Siegbahn教授对发展XPS领域做出的重大贡献，他被授予1981年诺 贝尔物理学奖。
成静电场； 灵敏度高、分辨率低；
.
28
8.2 光电子能谱仪实验技术
3. 检测器
用电子倍增器检测电子数目。电子倍增器是一种 采用连续倍增电极表面的静电器件，内壁具有二次 发射性能。电子进入器件后在通道内连续倍增，增 益可达 109
.
29
8.2 光电子能谱仪实验技术
4.真空系统
1、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。
XPS谱图的背底随结.合能值的变化关系
34
8.2 光电子能谱仪实验技术
3. XPS峰强度的经验规律 （1）主量子数小的壳层
的峰比主量子数大 的峰强； （2）同一壳层，角量子 数大者峰强； （3）n和l都相同者，j大 者峰强。
.
35
8.2 光电子能谱仪实验技术
X射线光电子能谱分析ppt课件
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。
26
真空系统
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。
EY(Z+Δ)：Y电子电离所需的能量。
Φ-功函数
20
俄歇过程和俄歇电子能量
WXY 跃 迁 产 生 的 俄 歇 电子的动能可近似地 用经验公式估算，即
：EWXY EW (Z) EX (Z)
EY (Z )
原子序数
功
函
实验值在
1 2
和
3 之间
4
数
俄歇电子
WXY俄歇过程示意图
21
§7.5 电子能谱仪简介
36
电子能谱仪主要由激发源、电子能量分析器、 探测电子的监测器和真空系统等几个部分组成。
22
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。它必须在高真空条件下工作 即压力要低于10-3帕，以便尽量减少电子与分析器 中残余气体分子碰撞的几率。
23
半球形电子能量分 析器
半球形分析器示意图 24
ppt课件24半球形电子能量分析器半球形分析器示意图ppt课件25筒镜形电子能量分析器筒镜分析器示意图ppt课件26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a1010913倍增器1a104通道电子倍增器是一种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
第七章 电子能谱
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Eb hvEk' sp
hvEkEb 功函数
.
仪器功函数
核外电子的运动状态
电子在原子中的运动状态，可n，L，m，ms四个量子数来描述。 （一）主量子数n 主量子数n决定电子层数的。对单电子原子来说，n值愈大，电子 的能量愈高。
（二）角量子数（副量子数） 物理意义是表示原子轨道的形状。另一个物理意义是表示同一电 子层中具有不同状态的亚层。 当主量子数n给定时，L可取值为0，1，2，3…（n-1）。在每一个 主量子数n中，有n个副量子数，其最大值为n-1。按光谱学上的习 惯l用s，p，d，f等符号表示。
.
F.电子的振激与振离谱线 （一）振离谱线。振离是一种多重电离过程。原
子的一个内层电子电离而发射，导致一个外层 电子电离。光电子能量被原子吸收，在图谱主 光电子峰附近出现连续谱线。 （二）振激谱线。过程与振离相似，所不同的是 价壳层电子跃迁到更高级束缚态。结果在谱图 主光电子峰的低动能端分离的伴峰。判断顺磁 反磁、键的共价性、几何构型等化学性质。
另外，能级由于自旋-轨道偶合发生分裂，用内量子数j来表征。 j=|l+ms |
电子能谱中用主量子数n，角量子数l，内量子数j三个量子数来 表征。如3d5/2，三层，角量子数为2（d层），内量子数2+1/2=5/2 ，通常省略1/2。
.
原子结构
.
原子能级划分
.
.
§7.2 X射线光电子能谱（ 由X于P各S种）原子轨道中电子的结合能是一定的，因此
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 =hhv-vKE .Ek' -W.sFp进而得到激发电子的结合能 。
.
副量子数L表示原子轨道的形状。L=0时（ 称s轨道），其原子轨道呈球形分布（图 4-5）；l=1时（称p轨道），其原子轨道 呈哑铃形分布（图4-6）
.
（三）磁量子数m 磁量子数m决定原子轨道在空间的伸展方向。当副量子数l给定 时，m的取值为从-l到+l之间的一切整数（包括0在内），共有 2L+1个取值，原子轨道在空间有2l+1个伸展方向。 （四）自旋量子数ms 原子中的电子除绕核作高速运动外，还绕自己的轴作自旋运动 。电子的自旋运动用自旋量子数ms表示。ms 有两个值+1/2和1/2。只有两个方向，即顺/逆时针方向。通常用“↑”和“↓”表示
筒镜分析器示意图
.
检测器
检测器通常为单通道电子倍增器和多通道倍增器
XPS 可用来测定固体表面的化学成分。
.
.
化学位移鉴定化学状态
Ni-P合金的Ni 2p3/2 XPS谱
较
高
氧
金属态的镍Ni
化
态
的
镍
Ni3+
a 清洁表面； b 1barO2、403K氧化1小时
.
.
7.3 XPS谱图中谱线
XPS光电子线及伴线 A.光电子线:在图谱中明显而尖锐的谱峰。强度最大，峰
.
对固体样品，必须考虑晶体势场和表面势场对光电子 的束缚作用，通常选取费米(Fermi)能级为参考点。
Eb
0k时固体能带中充 满电子的最高能级
hvEkEb 功函数
.
为防止样品上正电荷积累，固体样品必须保持和谱仪的良 好电接触，两者费米能级一致。样品与仪器触电电位差。
实际测到的电子动能为：
Ek' Ek (sp s) hvEb sp
.
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。它必须在高真空条件下工作 即压力要低于10-3帕，以便尽量减少电子与分析器 中残余气体分子碰撞的几率。
电子能量分析器
磁场式分析器 静电式分析器
半球形分析器 筒镜分析器
.
半球形电子能量分析器
半球形分析器示意图
.
筒镜形电子能量分析器
我们就是为了得到样品的结合能！
.
.
Байду номын сангаас
§7.1 电子能谱的基本原理
基本原理就是光电效应。 在高于某特定频率的电磁波照射下，物质内部的电 子会被光子激发出来即光生电。
自由原子的光电效应能量关系
hvEk Eb
对孤立原子或分子， E b 就是把
电子从所在轨道移到真空需的 能量，是以真空能级为能量零 点的。
宽最小，对称性最好。称为主峰-元素定性分析主要依 据。 B.俄歇线：俄歇电子形成的谱线。 俄歇谱线的表示：LMM俄歇电子是L层电子被激发，M 层电子填充到L层，释放的能量又使另一个M层电子激 发所形成的俄歇电子。 C.X射线卫星线:X射线并非单色，阳极材料原子产生荧光 X射线效应，这些射线统称Kα1,2X射线的卫星线。卫星 线激发的光电子形成X射线卫星峰。表现图谱，在主光 电子线的低结合能或高结合能端较小的卫星峰。
EY(Z+Δ)：Y电子电离所需的能量。
Φ-功函数
.
俄歇过程和俄歇电子能量
WXY 跃 迁 产 生 的 俄 歇 电子的动能可近似地 用经验公式估算，即
：EWXYEW(Z)EX(Z)
EY(Z)
俄歇电子
原子序数
功
函
实验值在 1 和 3 之间
2
4
数
.
WXY俄歇过程示意图
§7.5 电子能谱仪简介
电子能谱仪主要由激发源、电子能量分析器、 探测电子的监测器和真空系统等几个部分组成。
.
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，相应每一个终态，在图谱上将有一条谱 线。
配位体相同时，多重分裂与未成对电子数正相关。多重 分裂谱线能量差与配位体离子电负性相关，可以用于 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 在图谱上出现的伴峰。
G.鬼线：难以解释的光电子线。来源 阳极靶材杂质元素，窗口材料等。
.
§7.4 俄歇电子能谱(AES)
俄歇电子能谱的基本机理是：入射电子束或X射线使原子内层能级 电子电离，外层电子产生无辐射俄歇跃迁，发射俄歇电子，用电子 能谱仪在真空中对它们进行探测。
能量公式 对于原子序数为Z的原子,俄歇电子的能量可以用下面经验公式计算 ： EWXY(Z)=EW(Z)-EX(Z)-EY(Z+ Δ)-Φ 式中， EWXY(Z)：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。 EW(Z)-EX(Z)：X电子填充W空穴时释放的能量。
hvEkEb 功函数
.
仪器功函数
核外电子的运动状态
电子在原子中的运动状态，可n，L，m，ms四个量子数来描述。 （一）主量子数n 主量子数n决定电子层数的。对单电子原子来说，n值愈大，电子 的能量愈高。
（二）角量子数（副量子数） 物理意义是表示原子轨道的形状。另一个物理意义是表示同一电 子层中具有不同状态的亚层。 当主量子数n给定时，L可取值为0，1，2，3…（n-1）。在每一个 主量子数n中，有n个副量子数，其最大值为n-1。按光谱学上的习 惯l用s，p，d，f等符号表示。
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F.电子的振激与振离谱线 （一）振离谱线。振离是一种多重电离过程。原
子的一个内层电子电离而发射，导致一个外层 电子电离。光电子能量被原子吸收，在图谱主 光电子峰附近出现连续谱线。 （二）振激谱线。过程与振离相似，所不同的是 价壳层电子跃迁到更高级束缚态。结果在谱图 主光电子峰的低动能端分离的伴峰。判断顺磁 反磁、键的共价性、几何构型等化学性质。
另外，能级由于自旋-轨道偶合发生分裂，用内量子数j来表征。 j=|l+ms |
电子能谱中用主量子数n，角量子数l，内量子数j三个量子数来 表征。如3d5/2，三层，角量子数为2（d层），内量子数2+1/2=5/2 ，通常省略1/2。
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原子结构
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原子能级划分
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§7.2 X射线光电子能谱（ 由X于P各S种）原子轨道中电子的结合能是一定的，因此
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 =hhv-vKE .Ek' -W.sFp进而得到激发电子的结合能 。
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副量子数L表示原子轨道的形状。L=0时（ 称s轨道），其原子轨道呈球形分布（图 4-5）；l=1时（称p轨道），其原子轨道 呈哑铃形分布（图4-6）
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（三）磁量子数m 磁量子数m决定原子轨道在空间的伸展方向。当副量子数l给定 时，m的取值为从-l到+l之间的一切整数（包括0在内），共有 2L+1个取值，原子轨道在空间有2l+1个伸展方向。 （四）自旋量子数ms 原子中的电子除绕核作高速运动外，还绕自己的轴作自旋运动 。电子的自旋运动用自旋量子数ms表示。ms 有两个值+1/2和1/2。只有两个方向，即顺/逆时针方向。通常用“↑”和“↓”表示
筒镜分析器示意图
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检测器
检测器通常为单通道电子倍增器和多通道倍增器
XPS 可用来测定固体表面的化学成分。
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化学位移鉴定化学状态
Ni-P合金的Ni 2p3/2 XPS谱
较
高
氧
金属态的镍Ni
化
态
的
镍
Ni3+
a 清洁表面； b 1barO2、403K氧化1小时
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7.3 XPS谱图中谱线
XPS光电子线及伴线 A.光电子线:在图谱中明显而尖锐的谱峰。强度最大，峰
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对固体样品，必须考虑晶体势场和表面势场对光电子 的束缚作用，通常选取费米(Fermi)能级为参考点。
Eb
0k时固体能带中充 满电子的最高能级
hvEkEb 功函数
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为防止样品上正电荷积累，固体样品必须保持和谱仪的良 好电接触，两者费米能级一致。样品与仪器触电电位差。
实际测到的电子动能为：
Ek' Ek (sp s) hvEb sp
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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。它必须在高真空条件下工作 即压力要低于10-3帕，以便尽量减少电子与分析器 中残余气体分子碰撞的几率。
电子能量分析器
磁场式分析器 静电式分析器
半球形分析器 筒镜分析器
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半球形电子能量分析器
半球形分析器示意图
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筒镜形电子能量分析器
我们就是为了得到样品的结合能！
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Байду номын сангаас
§7.1 电子能谱的基本原理
基本原理就是光电效应。 在高于某特定频率的电磁波照射下，物质内部的电 子会被光子激发出来即光生电。
自由原子的光电效应能量关系
hvEk Eb
对孤立原子或分子， E b 就是把
电子从所在轨道移到真空需的 能量，是以真空能级为能量零 点的。
宽最小，对称性最好。称为主峰-元素定性分析主要依 据。 B.俄歇线：俄歇电子形成的谱线。 俄歇谱线的表示：LMM俄歇电子是L层电子被激发，M 层电子填充到L层，释放的能量又使另一个M层电子激 发所形成的俄歇电子。 C.X射线卫星线:X射线并非单色，阳极材料原子产生荧光 X射线效应，这些射线统称Kα1,2X射线的卫星线。卫星 线激发的光电子形成X射线卫星峰。表现图谱，在主光 电子线的低结合能或高结合能端较小的卫星峰。
EY(Z+Δ)：Y电子电离所需的能量。
Φ-功函数
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俄歇过程和俄歇电子能量
WXY 跃 迁 产 生 的 俄 歇 电子的动能可近似地 用经验公式估算，即
：EWXYEW(Z)EX(Z)
EY(Z)
俄歇电子
原子序数
功
函
实验值在 1 和 3 之间
2
4
数
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WXY俄歇过程示意图
§7.5 电子能谱仪简介
电子能谱仪主要由激发源、电子能量分析器、 探测电子的监测器和真空系统等几个部分组成。
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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，相应每一个终态，在图谱上将有一条谱 线。
配位体相同时，多重分裂与未成对电子数正相关。多重 分裂谱线能量差与配位体离子电负性相关，可以用于 判断价态。
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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 在图谱上出现的伴峰。
G.鬼线：难以解释的光电子线。来源 阳极靶材杂质元素，窗口材料等。
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§7.4 俄歇电子能谱(AES)
俄歇电子能谱的基本机理是：入射电子束或X射线使原子内层能级 电子电离，外层电子产生无辐射俄歇跃迁，发射俄歇电子，用电子 能谱仪在真空中对它们进行探测。
能量公式 对于原子序数为Z的原子,俄歇电子的能量可以用下面经验公式计算 ： EWXY(Z)=EW(Z)-EX(Z)-EY(Z+ Δ)-Φ 式中， EWXY(Z)：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。 EW(Z)-EX(Z)：X电子填充W空穴时释放的能量。