材料研究分析方法XPS

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X射线激发产生的光电子,只有在超高真空内,才能被能量 分析器检测到,XPS测试过程需要一个超高真空系统; 超高真空系统:由机械泵-涡轮分子泵-溅射离子泵-钛升华泵 组成。


能量分析器
能量分析器: 是谱仪的核心部分,用以精确测定电子结合能。 能量分析器:有半球或筒镜分析器。 位臵灵敏探测器:一种高效探测器,可用于小面积XPS。
自旋轨道分裂参数

价能级:价能级是指那些为低结合能电子(大
约0-15eV)所占据的能级,主要涉及那些非定域 的或成键的轨道。
俄歇跃迁系列:俄歇跃迁系列是光发射所形 成的内壳层空穴一种退激发机制的结果。
曲线拟合分峰

XPS窄扫描谱图经曲线采用 Gaussian,Gaussian-Lorentzian,Asymmetric
确定峰强度(即峰的面积或高度):以谱线的背底为基准,峰面 积和高度做为峰强度。

结合能坐标基准校正

以污染碳C1s284.8eV定标。 采用在样品上蒸镀金作为参照物来定标,即选定Au为 84.0eV 。 结合能坐标基准:主要是绝缘(或导电性不好)样品

的荷电效应。X射线辐照期间从绝缘体表面发射电子, 不可避免地将导致形成正的表面电位,因为来自样品 体相或者样品托的电子不能补偿这种电子损失。这种 正的荷电作用要降低光电子的出射动能(即表现为结 合能增加)。这就是XPS分析绝缘样品时的荷电效应。
碳的宽扫描XPS图谱
碳的化合物结合能位移图
XPS定量分析原理

X射线光电子谱线强度反映样品中单质元素及化合物各构 成元素的含量或浓度; 测量谱线强度,便可进行定量分析; 测量样品中单质元素及化合物各构成元素的绝对浓度相 当困难,一般都是测量其相对含量,也就是测量样品中 某种元素在其单质及该元素化合物中的相对原子浓度; 只要测得特征谱线强度(峰高、峰面积),再利用相应元 素及含该元素化合物的灵敏度因子,便可得到相对浓度。



化学状态:根据XPS测试的结合能大小、峰形、俄歇参数分析 材料表面化学状态、化学位移、化学结构。 定量:根据元素的峰面积、峰高和相应的元素灵敏度因子,可 测试材料表面的原子浓度。可分析材料中不同元素的原子浓度 比。 深度:(1)用Ar+离子溅射材料表面作深度分析,但Ar+离子对材 料表面有损伤,结合能的位臵会有微小的改变,以及溅射产额 的不同,引起表面的成份变化。(2)用角分辨深度分析,对表 面无损伤。依据激发射线和样品表面的夹角来分析。缺点是分 析深度变化在几十个纳米范围内。
表面分析的主要手段
1. 2.
3.
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XPS-X射线光电子能谱仪 UPS-紫外光电子能谱仪 AES-俄歇电子能谱仪 SIMS-二次离子质谱 EELS-电子能量损失谱 AFM-原子力显微镜 STM-扫描隧道显微镜
XPS分析简介




1914年曼彻斯特的Rutherford表述了XPS基本方程: Ek=h-Eb-Φ 式中,Ek为光电子动能,h 为激发光能量,Eb是固 体中电子结合能,Φ为逸出功。 2O世纪4O年代瑞典Uppsala大学在β-射线谱取得重大进 展,K.Siegbahn建造了一台能测量电子动能的XPS仪器, 其鉴别能力达1O-15。 1954年,动能Ek首次被准确地测量,从而得到结合能Eb 。 不久因化学状态变化而产生的内能级位移也被观测到。 即所谓的化学位移现象。基于XPS这种化学状态分析能 力,K.Siegbahn取名为ESCA其全称为Electron Spectroscopy for Chemical Analysis,即化学分析电 子谱。 K.Siegbahn因为这些工作,获1981年物理学诺贝尔奖。
观 察 显 微 镜
样 品 调 整 台
工 作 示 意 图
式中E k为光电子动能,h 为激发光能量,E b是固体中电子结合能,Φ为逸出功
E k=h-E b-Φ
XPS提供的测量信息

元素:XPS能检测除H以外的所有元素,检测限0.1% atom原子 浓度。(原子浓度和实际材料配比的摩尔数相当,在我们日常的 检测限:1%-3%)
XPS的分析取样深度



固体中的原子吸收X射线后将导致其中的电子出 射,这个现象又称之为光电离。出射的电子可能 来自紧束缚的内能级,也可能来自弱成键价能级 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,称之为光电效应; XPS采用的软X射线虽能穿透材料几个微米,但由 于光电效应,XPS的表面灵敏度同激发源X射线穿 透深度无关; 取样深度: 金属0.5-2nm;无机材料1-3nm深度; 有机材料3-10nm 。
沿表面不同深度的化学状态(suface-30A-150A-300A)(oxide-metal)
XPS图谱分析

XPS图谱

曲线拟合分峰 确定峰位和强度

XPS图谱包含的信息
内能级


价能级 俄歇跃迁系列

Ag的XPS宽扫描图(3s,3p,3d )
Ag的3d5/2XPS窄扫描图

*
内能级:XPS分析的大部分信息由内能级谱提供,内能级结合
А——采样面积(cm2)
Т——检测系数 λ——光电子的平均自由程(cm)
如果已知式中nfσφγATλ,根据测定的I便可得到绝对原 子浓度n。但按此式作理论计算十分困难,一般是测定某种 单质元素与该元素在化合物中的相对比例。令 S=nfσφγATλ,称其为元素及含该元素化合物的灵敏度 因子,则被测样品中某种单质元素与化合物所含该元素的绝 对原子浓度之比可按式(1)得: n1/n2= (I1 / S1) / ( I2/S2) 设待测元素或化合物的绝对原子浓度为nx,样品中单质元素 及化合物所含该元素的绝度原子浓度为ni,样品中全部单质 元素及化合物所含该元素的绝对原子浓度为Σni,则单质元 素或其化合物中待测元素的相对原子浓度为: CX = nx / Σni = (IX / SX ) / (Σ II/SI ) i ——某种含待测的元素或化合物 x ——待测元素或化合物 CX——待测元素或化合物的相对原子浓度
XPS 表面分析技术 在材料研究中的应用
主要内容
1. 2. 3.
4.
表面分析技术 XPS分析简介 XPS测试设备与分析 XPS的应用研究实例
表面分析技术




表面分析技术的应用涉及半导体、催化、冶 金、腐蚀、涂层、粘合、聚合物、注入、渗 杂等; 表面分析技术是研究物质表面的形貌、化学 组成、原子结构、原子态等信息的实验技术; 表面分析技术通过研究微观粒子与表面的相 互作用获得表面信息; 按所获得的信息分类,可分为组分分析、结 构分析、形貌分析等。
解决办法3: 当样品中污染碳含量很少或样品中含有其他的碳 材料时,结合能坐标基准可用外标法,在样品上蒸镀金作为参 照物来定标,即选定Au为84.0eV

化学位移效应
处于不同化学环境下的同一原子,其内能级谱中会出现
分立的分峰。
氟是具有最大电负性的元素,它能诱导最大的化学位移。
如:氟聚合物的C1s谱,见下图
XPS应用分析研究实例

掺杂Pd的SnO2材料表面的XPS分析研究实例 TiO2亲水及光催化材料表面的XPS分析研究实例
能及其相对强度分别用作元素识别和原子相对浓度测定。图中 各谱峰是银原子电子壳层结构的直接反映。除3S能级外,Ag2P 的结合能已大于1254eV。由于自旋偶合作用结果,图中的非S 轨道都是双峰。内能级符号为nlj,这里n为主量子数,l为轨 道角动量量子数,j为总角量子数,j=(l+s),其中s为自旋 角动量量子数(1/2)。因些当l>0时,必存在两个可能状态, 见表,这两个状态的能量差反映了光发射后留下的未配对电子 的自旋及轨道角动量矢量的“平行”和“反平”特点,这个能 量差值可达数电子伏特。对于MgKα和A1KαX射线源,其光子 能量对周期表中除H以外,任一原子至少可以激发一个内能级。 其持征结合能数值可以用作明确的元素标识。
X-ray源
X-ray激发源:
X射线光电子能谱的X射线源主要由灯丝、 阳极靶以及滤窗组成。X射线采用软X射线,即 波长较长的光波。一般采用镁铝双阳极靶。

MgKαX射线能量1253.6eV A1KαX射线能量1486.6eV 激发源功率:200W~400W
X-ray激发源结构图
进 样 室
离 子 枪
5KV离子枪



离子枪的主要用途: 用Ar+离子束清除样品表面的污染层; 对材料表面进行深度剖析。 离子枪的构成: 主要由Ar气源、泄漏阀、电离室(灯丝,高压栅 极)、聚焦镜、物镜、偏转板等组成。 通过调整栅极电压、聚焦镜、物镜可改变Ar+离子 束的剥离强度和束斑大小。
元素深度的分布(Cr,O,Si)Isptter time
等手段进行曲线拟合分峰, 我们主要采用
Gaussian-Lorentzian,峰形有严重拖尾现象 时用Asymmetric。
用Gaussian-Lorentzian进行曲线拟合分峰
(O1S,Sb3d5/2,3d3/2,id Sb+3, Sb+5)


确定峰位
XPS窄扫描谱图经曲线拟合分峰,得结合能值,并用结合能坐标基 准校正:以污染碳C1s284.8eV定标。或采用在样品上蒸镀金作为 参照物来定标,即选定Au为Au4f7/2 84.0eV; 根据样品中各单质元素及化合物的XPS结合能的特征峰位、峰形, 对照结合能标准手册,确定单质元素及化合物的表面化学状态、 化学结构;


假定样品的表面层在100埃~200埃(1埃=10-10m)深度内是 均匀的,则其强度I(每秒钟所检测的光电子数)由下式 给出
I =nfσφγATλ n——原子数/cm3 f——X射线通量(光子/cm2 ·s)
σ——光电离截面(cm2)
φ——与X射线和出射光电子的夹角有关的因子 γ——光电子产率(光电子/光子)
XPS测试设备与分析
XPS主要测试设备

美国PHi5000糸列,及Qutum2000糸列 英国VG公司ESCALAB2000糸列及Kratos公司 的XSAN800糸列 曰本岛津ESCA-850糸列


XPS测试设备与分析


在单色(或准单色)X射线照射下,测量材 料表面所发射的光电子能谱来获取表面化学 成分、化学态、分子结构等方面的信息,这 种表面分析技术称为X射线光电子能谱 (XPS)。 XPS由X-ray激发源、样品室、能量分析器、 PSD位臵灵敏探测器和数据处理系统及超高 真空系统等组成。
氟起到初级取代和次级取代作用,
对于用氟简单取代 一个氢,初级位移为2.9eV左右,次级位移为0.7eV左右。
-CH2 CF2
285eV,-CF 288.5eV,-CF2 291.6eV,-CF3 293.7eV,
-CF =3.1eV ;CF3 -CF2 =2.1eV
化学位移
氟聚合物的C1s谱

单色化X射线源,荷电问题将更加严重。
解决荷电效应的方法

解决办法1:电子综合枪:用一个高电流、低能量电子源引进 补偿电子流。价格贵,使用不多;

解决办法2:结合能坐标基准较好的办法是用内标法,即将谱 中一个特定峰明确地指定一个准确的结合能Eb。一个常用的 校正方法是令饱和碳氢化合物(或吸附碳, 污染碳)中 C1s284.8eV结合能为基准定标。如 XPwenku.baidu.com谱图中污染碳C1s的测 试值为C1s=285.8eV,而 污染碳C1s的标准值为C1s=284.8eV, 相差悬1个电子伏特, XPS谱图中所有元素的结合能都要减去1 个电子伏特;
XPS总图
样 品 室
样品分析室的真空度要求

真空度:10-6Pa~10-7 Pa
研究固体的表面比研究固体内部还有更大的困难,原因之一 是固体的表面和固体内部相比,它们在结构、电学和化学性 质等方面很不相同。另一个原因是需要提供一个原子数量级 的纯洁表面,并能在一定时间内保持这个表面的清洁性;


例如: SnO2薄膜的XPS窄扫描C1s及Sn3d5/2谱图,经曲线拟合分峰, C1s=285.2eV 、Sn3d5/2=487.6eV,由于荷电效应,实际测得污染 碳C1s=285.2eV和标准的污染碳C1s284.8eV相差0.4eV,那么真实 的Sn3d5/2特征峰的结合能Sn3d5/2=487.6eV-0.4eV=487.2eV
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