X射线光电子能谱
X射线光电子能谱仪介绍
X射线光电子能谱仪介绍X射线光电子能谱仪（X-ray Photoelectron Spectroscopy，简称XPS），也称为电子能谱仪（Electron Spectroscopy for Chemical Analysis，简称ESCA），是一种分析物质表面化学成分和电子结构的有效工具。
本文将从原理、仪器结构、操作流程和应用等方面进行详细介绍。
首先，我们来了解XPS的基本原理。
XPS是利用X射线照射样品表面，当X射线与样品表面原子发生相互作用时，会发生光电效应。
光电子（或称为光电子子）从样品表面解离出来并被收集。
通过测量其动能和相对强度，可以获得样品表面的化学成分和原子的电子态信息。
XPS仪器的主要结构包括X射线源、样品台、光电子分析仪和能谱仪。
X射线源通常采用单晶衍射器或连续谱型，能够提供较高的光子能量和对数计数率。
样品台有多种形式，如固定晶格、转动晶格、升降台等，能够调整样品的位置和角度。
光电子分析仪是收集和加速光电子的装置，包括透镜系统、走时单元和检测器等。
能谱仪则通过光电子的动能和相对强度来测量和分析样品的化学成分。
XPS的操作流程一般包括样品准备、实验参数设置、数据采集和数据处理等步骤。
首先，样品需进行表面处理，如去除氧化层、清洗污染物等，以确保表面的纯净度和可再现性。
其次，根据实验需求设置合适的参数，如X射线源能量、极角、测量区域等。
然后，通过探测光电子的动能和相对强度，采集一系列能谱。
最后，根据所得数据进行分析和处理，如峰拟合、能量校准、峰面积计算等，从而获得样品的化学成分和表面电子结构信息。
XPS在多个领域具有广泛的应用。
首先，它可用于表面化学成分分析，可以确定样品表面元素的种类和含量。
其次，XPS可以研究样品的化学状态和电子结构变化，如氧化态、配位数、轨道混成等。
另外，XPS也可用于界面分析，研究不同材料之间的相互作用和界面电子结构。
此外，XPS还可用于薄膜、催化剂、电极、半导体等领域的研究和表征。
X射线光电子能谱分析法
X射线光电子能谱分析法X射线光电子能谱分析法（X-ray photoelectron spectroscopy，XPS）是一种非常重要的表面分析技术，广泛应用于材料科学、化学、表面物理、生物技术和环境科学等领域。
本文将对X射线光电子能谱分析法进行详细介绍，包括基本原理、仪器分析系统和应用领域。
一、基本原理X射线光电子能谱分析法是利用X射线照射固体表面，使其产生光电子信号，并通过测量光电子的动能和数量，来确定样品表面的化学成分及其状态。
其主要基于光电效应（photoelectric effect）和X射线物理过程。
光电效应是指当光子入射到固体物质表面的时候，会将表面电子激发到导带或导带以上的能级上，并逃离固体形成受激电子。
这些逃逸的电子称为光电子，其动能与入射光子的能量有关。
X射线物理过程主要包括光子的透射、散射和与原子内电子的相互作用等。
当X射线入射到固体表面时，会发生漫反射和荧光特性，造成信号的背景噪声。
同时，X射线的能量足够高，可以与样品的内层电子发生作用，如光电子相对能谱（Photoelectron RELative Energies）和化学平移分量（Chemical Shift）等。
二、仪器分析系统X射线光电子能谱分析系统包括光源、样品室、分析仪和检测器等。
光源常用的是具有较窄X射线能谱线宽的准单色X射线源，如AlKα线或MgKα线。
样品室的真空度一般要达到10^-8Pa左右，以避免空气对样品的干扰。
分析仪是用于测量光电子动能和数量的关键部件，常见的配备有放大器、电子能谱仪和角度分辨收集器等。
放大器将来自检测器的信号放大，并进行滤波处理以滤除高频噪声。
电子能谱仪是用于测量光电子动能的装置，一般包括一个径向入射、自由运动的光电子束和一个动能分析系统。
角度分辨收集器则用于测量光电子的角度分布。
检测器用于测量光电子的数量，常见的有多种类型的二极管（如能量分辨二极管和多道分析器）和面向瞬态X射线源的时间分辨仪器。
X射线光电子能谱分析
X射线光电子能谱分析X射线光电子能谱（X-ray photoelectron spectroscopy, XPS）是一种重要的表面分析技术，广泛应用于物质表面成分、电子态和化学状态的研究。
本文将从XPS的原理、仪器构成、数据分析以及应用等方面进行详细介绍。
XPS原理基于光电效应，即当材料表面受到X射线照射后，光电子从表面脱离。
这些脱离的光电子具有一定的动能，其动能与被照射材料的原子核和电子状态相关。
通过测量脱离光电子的动能和相应的能谱，可以获得材料表面的成分和电子结构等信息。
XPS仪器通常由X射线源、光学系统、光电子能谱仪以及数据采集与分析系统组成。
X射线源通常采用非常纯净的铝或镁，通过加热产生X射线，其能量通常在0.5-2.5 keV范围内。
光学系统将X射线聚焦在材料表面，使其与表面相互作用。
此外，还需要一个真空系统以及样品调节装置，以保证实验过程的可靠性。
在光电子能谱仪中，光电子在进入光学透镜之后，通过缝隙进入光谱学荧光屏，其中光电子会击中荧光屏产生荧光，然后荧光被光电二极管或者多道采集系统接收。
通过测量光谱的能量分布，可以得到XPS的能谱图像。
数据采集与分析系统用于处理和分析得到的XPS数据。
根据样品组成和光电子的能量分布，可以识别和测量各种元素的化学状态和含量。
此外，还可以通过能级分别效应等技术，研究材料的表面电子结构和化学键性质。
XPS在材料科学和表面化学等领域具有广泛的应用。
首先，XPS被广泛应用于材料表面组分分析。
通过测量光电子的能量分布，可以确定元素的存在和相对含量，从而判断材料的组成。
其次，XPS可以提供元素的化学状态信息，即原子与其他元素的化学键类型和性质。
这对于研究各种材料的界面和表面反应具有重要意义。
此外，XPS还可以通过研究表面电荷分布和电子能带结构等信息，研究材料的电子结构与性质。
总结来说，X射线光电子能谱是一种重要的表面分析技术，可以提供材料的组分、化学状态以及电子结构等信息。
xps测价带谱的原理
xps测价带谱的原理XPS（X射线光电子能谱）是一种常用的表征材料表面化学组成和电子结构的表征技术。
它可以用来研究各种材料的元素组成、化学状态以及电子能级分布情况。
XPS测价带谱是XPS的一种应用，它通过研究材料的电子能级分布，揭示材料的能带结构和电子能级的行为。
本文将详细介绍XPS测价带谱的原理。
1. X射线光电子能谱简介X射线光电子能谱是一种利用X射线照射样品，测量被照样品表面光电子能谱的技术。
当样品被X射线照射时，其表面的原子会吸收能量并发射出光电子。
这些光电子的能量与原子的电子能级分布有关，因此可以通过测量光电子的能量来了解样品的化学组成和电子状态。
2. XPS测价带谱原理XPS测价带谱是在X射线光电子能谱的基础上，进一步研究材料的能带结构和电子能级行为的方法。
它利用X射线的能量和角度控制，使光电子的能谱与样品的能带结构相对应。
通过测量光电子的能量和角度分布，可以获得样品中各个元素的电子能级和态密度的信息。
3. XPS测价带谱的实验步骤XPS测价带谱的实验步骤主要包括样品准备、仪器调试和数据分析三个部分。
首先，需要准备样品，并将其表面清洁干净，以保证测量结果的准确性。
其次，需要调整X射线的能量和角度，使其与样品的能带结构相匹配。
这需要仪器的准确调试。
最后，通过测量和分析光电子的能量和角度分布，得到样品的能带结构和电子能级的信息。
4. XPS测价带谱的应用XPS测价带谱在材料科学和表面科学研究中得到了广泛的应用。
它可以用来研究半导体材料、金属表面、化学反应等许多领域。
在半导体材料研究中，XPS测价带谱可以用来研究半导体材料中电子能级的分布和载流子行为，为半导体器件的设计和优化提供重要依据。
在金属表面研究中，XPS测价带谱可以用来研究金属吸附剂和催化剂的表面化学反应，揭示反应机制和催化活性的变化规律。
在化学反应研究中，XPS测价带谱可以用来研究化学反应过程中原子和分子的电子态和化学键的变化，以及反应产物和中间体的特性。
x射线光电子能谱
x射线光电子能谱X射线光电子能谱（XPS），又称为“X射线衍射光谱”，是一种高分辨率的表征材料电子结构的重要方法。
它基于X射线和电子碰撞而产生，可以用来研究材料表面、界面和小尺寸结构中电子结构的特征，以及电子态、核体积之间的关系。
XPS既可以用于常规的材料表征，如检测气体的化学成分，也可以用于对超导、磁导体、聚合物等新材料的表征。
X射线光电子能谱是一种基于表面的结构分析技术，它利用X射线照射材料，使材料内部电子层转移到近表面，并以多种方式向外释放，如放射、内发射和外散射。
这些电子与内部电子层之间的转移，会产生电子能谱，其特征反映了材料的电子结构。
XPS是一种实用性很强的材料表征技术，可用于研究材料表面、界面和小尺寸结构中的电子结构，使材料得到全面的表征。
它可以检测材料表面的化学成分，以及材料表面的电荷分布和失活层的厚度；检测薄膜的厚度、表面结构和反常表面状态；检测物质体积中的化学成分；检测复合物中材料的混合比例；以及测量超导、磁导体、多孔材料等新材料的电子结构等。
当材料受到光或电子诱导时，可利用XPS观察表面电荷分布的变化，从而研究光或电子诱导的电子量子效应和物质表面的电子结构。
XPS的主要仪器由X射线源、负压封装台和电子视觉系统三部分组成。
X射线源通常是氩弧光源，它可以产生1400~180 eV的能量范围的X射线。
负压封装台可以将样品放在真空环境或受到有机溶剂、氧气等介质的环境中，以便实现样品表面的近稳定状态。
电子视觉系统包括显微镜、探针或离子发射等，用于测量和检测电子发散的能量和强度。
XPS技术有很多优势，如直接量度表面氧化物层厚度、分析特殊表面吸附分子状态等，使材料表征变得更加简单快捷，这在材料和技术的各个方面都大有裨益。
除此之外，XPS的再现性优于其他表征技术，它的分辨率高于其他几乎所有表征技术，例如同位素分析、X射线粉末衍射分析和磁共振波谱。
尽管XPS的优势显而易见，但它也有一些缺点，如它的量子效率较低、需要用高能X射线照射样品，会产生一定的副产物，或检测能力受到限制等。
X射线光电子能谱
XPS的基本原理
与氧化态关系
当某元素的原子处于不同的氧化态时，它的结合 能也会发生变化。以金属铍的氧化过程为例。
参考文献
[1] 王文生. X射线光电子能谱技术及其应用 [J]. 电子元件与材料. 1991(01) [2] 俞宏坤. X射线光电子能谱(XPS)[J]. 上 海计量测试. 2003(04) [3] 吴正龙,刘洁. 现代X光电子能谱(XPS)分 析技术[J]. 现代仪器. 2006(01) [4] 文美兰. X射线光电子能谱的应用介绍 [J]. 化工时刊. 2006(08) [5] 郭沁林. X射线光电子能谱[J]. 物理. 2007(05)
X射线光电子能谱的应用
1.对固体样品的元素成分进行定性、定量或半定量及价态分 析； 2.固体样品表面的组成、化学状态分析，广泛应用于元素分 析、多相研究、化合物结构鉴定、富集法微量元素分析、 元素价态鉴定； 3.应用于氧化、腐蚀、摩擦、润滑、燃烧、粘接、催化、包 覆等微观机理研究；污染化学、尘埃粒子研究等的环保测 定；分子生物化学以及三维剖析如界面及过渡层的研究
1887年，海因里希·鲁道夫·赫兹发现了光电效应 1905年，爱因斯坦解释了该现象，并为此获得了1921年的 诺贝尔物理学奖 1907年，因斯（P.D. Innes）用伦琴管、亥姆霍兹线圈、 磁场半球（电子能量分析仪）和照像平版做实验来记录宽 带发射电子和速度的函数关系，他的实验事实上记录了人 类第一条X射线光电子能谱 第二次世界大战后瑞典物理学家凯·西格巴恩和他在乌普 萨拉的研究小组在研发XPS设备中获得了多项重大进展， 并于1954年获得了氯化钠的首条高能高分辨X射线光电子 能谱 1967年之后的几年间，西格巴恩就XPS技术发表了一系列 学术成果，使XPS的应用被世人所公认
x射线光电子能谱表述
x射线光电子能谱表述X射线光电子能谱（X-rayPhotoelectronSpectroscopy，XPS）是一种手段，用于研究物质表面成份和构型。
它采用X射线（X-ray 束照射物质表面，并从物质表面释放出光电子，然后检测受X-ray辐射的表面物质的谱线，从而分析物质的成份。
X射线光电子能谱的主要优势之一是，能够分析微小的物质表面而不受样品量的限制。
二、X射线光电子能谱的基本原理X射线光电子能谱是基于光电子的物理原理的，其根本原理是采用x射线（X-ray）束照射物质表面，在物质表面释放出光电子，从而产生光电子能谱。
在X射线束照射下，光电子能谱轻微变化，从而可以从中提取出信息，并用于物质成分分析。
X射线光电子能谱原理的基本过程是：X射线照射到物质表面，物质表面会被电离产生一些能量，被称为电子的能量。
当电子离开物质表面，它们的能量将以分散的方式释放出来，称为光电子能谱（PEES）。
PEES由几个部分组成，每个部分的能量都有所不同，以微形式表示。
经过特定的处理，这些能量可以被视为物质成分的信号，从而进行物质成分分析。
三、X射线光电子能谱的应用X射线光电子能谱是一种快速准确的分析方法，可以用来分析物质表面化学成分和结构，比如元素种类和比例，表面及深度的催化特性，表面的温度、气压和湿度等。
X射线光电子能谱在很多领域都有应用，比如：（1）材料科学与工程：X射线光电子能谱可用于研究表面形貌，以及复杂材料结构中的成分和构型等；（2）环境科学与工程：X射线光电子能谱可以用于分析环境中物质的特性，比如空气中的污染物、土壤中的有毒物质、水体中的有害元素等；（3）化学工程：X射线光电子能谱可以用于涂料表面的成分分析，以及用于分析化学反应的表面过程；（4）生物学：X射线光电子能谱可以用于研究物质表面的热力学特性、物质表面的相互作用和膜蛋白的构型特性等。
总之，X射线光电子能谱是一种灵活的手段，用于研究物质表面的化学成分和结构，是研究表面物理和化学性质的理想方法，在材料科学、化学工程和环境科学等多个领域得到广泛应用。
《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。
X射线光电子能谱(XPS)课件
利用XPS对样品表面进行深度剖析， 了解表面元素的化学状态和组成， 为材料科学、环境科学等领域提供 有力支持。
05
XPS与其他分析方法的比 较
XPS与AES的比较
总结词
XPS和AES都是表面分析技术，但它们的工 作原理和应用范围有所不同。
详细描述
XPS（X射线光电子能谱）和AES（原子发 射光谱）都是表面分析技术，用于确定样品 表面的元素组成。然而，它们的工作原理和 应用范围有所不同。XPS主要测量的是光电 子的能量分布，可以提供元素种类、化学态 和电子态的信息。而AES则通过测量原子发 射出来的特征光谱来分析元素组成。在应用 方面，XPS更适用于轻元素的分析，而AES 更适用于重元素的分析。
02
XPS仪器设备
XPS仪器结构
01
02
03
04
发射源
X射线管，用于产生X射线。
真空系统
确保实验室内高真空度，以减 少气体对光电子的散射。
能量分析器
用于检测和测量光电子的能量 。
探测器
用于收集光电子，并将其转换 为电信号。
XPS仪器操作流程
样品安装
将样品放置在样品 台上，并确保稳定 固定。
数据采集
开发多元素同时分析的XPS技术， 能够快速获取样品中多种元素的
化学信息，提高分析效率。
XPS在各领域的应用前景
环境监测
生物医学研究
利用XPS技术对大气、水体、土壤等环境中 的有害物质进行快速、准确检测，为环境 保护和治理提供有力支持。
通过XPS技术对生物样品进行无损检测，有 助于深入了解生物分子结构和功能，推动 生物医学领域的发展。
数据采集
按照设定的参数进行测量，并 采集光谱数据。
x射线光电子能谱
x射线光电子能谱X射线光电子能谱是原子和分子结构研究中最重要的技术手段。
它是利用能量分析仪测量某些具有特定结构的分子的内部结构信息的一种技术。
它的使用范围包括原子、分子、聚合物、固体和纳米结构分析，也可以用于探索未知分子结构和新材料的性质。
X射线光电子能谱的基本原理是，当通道电子被X射线照射时，电子可以以多种方式来转移到由不同原子核组成的电子结构下。
这些被激发的电子以一系列光子发射，其中包括电子排斥光子、光谱光子和发射光子等，其中最主要的是排斥光子和光谱光子。
电子排斥光子是通过电子轰击移动到高能状态的电子转移而产生的，而光谱光子则是由不同电荷状态的电子从原子核跃迁而产生的。
通过测量电子排斥光子和光谱光子的能量，可以得到该分子的电子结构。
X射线光电子能谱的应用可以体现在结构方面，包括观测分子的基本物理性质，例如结构、组成、结合方式以及分子键的键长等信息。
此外，X射线光电子能谱还可以用来研究某些特殊物质在某种物理环境下的表现，例如探索与气体、薄膜或溶液等环境中相互作用的细胞的电子结构及其特性。
X射线光电子能谱的研究和应用代表了现代原子物理研究的发展进程，它为研究分子结构及其功能提供了可靠的基础，是探索新材料的宝贵工具。
在现代物理学研究中，X射线光电子能谱已经发挥着重要作用，并被广泛应用于化学、生物学、材料科学等领域。
于以物理学方式探索及应用新材料，X射线光电子能谱发挥着不可替代的作用。
X射线光电子能谱可以帮助我们深入理解原子、分子、聚合物、固体和纳米体系的结构，从而及时掌握新材料、新分子和新结构的技术发展趋势，更好地运用在现代科研技术中。
X射线光电子能谱是一种非常重要的科学研究工具，在现代科学研究中发挥着重要的作用，它的研究和应用可以依赖于先进的实验室设备和技术，能够准确反映分子结构的特性，并作为研究新材料的重要手段，它对于物理学研究具有重要的实际意义。
X射线光电子能谱学
X射线光电子能谱学的发展历程
1970年代
X射线光电子能谱技术诞生，初期主要用于表面科学 和材料科学领域。
1980年代
技术逐渐成熟，应用领域扩大到环境科学、生物学和 医学等领域。
1990年代至今
技术不断创新和发展，提高测量精度和灵敏度，拓展 应用范围。
公共安全监测
研究X射线光电子能谱学在爆炸物检测、毒品鉴定和食品安全等领域的应用，提高公共 安全监测的效率和准确性。
THANKS
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多元素同时分析的技术突破
总结词
多元素同时分析技术是X射线光电子能谱 学的另一个重要发展方向，对于复杂样 品和多元素体系的研究具有重要意义。
VS
详细描述
传统的X射线光电子能谱学分析通常只能 针对单一元素进行分析，无法满足多元素 同时分析的需求。为了解决这一问题，需 要发展多元素探测技术和谱图解析方法， 提高多元素同时分析的准确性和可靠性。
空间分辨率
优化实验条件，提高空间分辨率，以便更准确地分析样品表面形 貌和元素分布。
数据处理与分析方法
数据预处理
对实验数据进行整理、去噪和校准，以提高 数据的准确性和可靠性。
定量分析
根据光电子的强度和能量分布，计算样品中 各元素的含量和比例。
定性分析
通过对比已知标准谱图，确定样品中的元素 组成。
表面形貌分析
03
CATALOGUE
X射线光电子能谱学的实验技术
样品的制备与处理
01
02
03
样品选择
根据研究目的选择合适的 样品，确保样品具有代表 性。
样品处理
对样品进行适当的预处理 ，如干燥、研磨、纯化等 ，以获得最佳实验效果。
X射线光电子能谱--仪器分析
36000 34000
Zn2p3/2
Intensity / a.u.
Zn2p1/2
32000 30000 28000 26000 1050 1040 1030 1020 1010
Binding Energy / eV
Ag3d5/2 Ag3d3/2
16000
Pt4f5/2
Pt4f7/2
14000
样品 光电子 能量 分析器
探测器 X射线源 AlK或MgK 超高真空系统 优于10-9mbar
数据处理 系统
ESCALab220i-XL型光电子能谱仪
元素定性分析
在能谱图中出 现特征谱线.我 们可以根据这 些谱峰的位置 （结合能） 来鉴定元素的 种类
元素化学态分析
对同一元 素，当化 学环境不 同时，谱 峰出现化 学位移
35000
4+
30000
Ce3d-Ce
25000
20000 920 910 900 890 880
Binding Energy / eV
10000
C1s, 284.8eV
8000
Intensity / cps
6000
Shake up
4000
2000
0 298 296 294 292 290 288 286 284 282 280 278
校正荷电效应的方法
利用污染碳C1s结合能做内标 （BEC1s=284.8eV） 在样品表面蒸镀Au或Pt等元素 （BEAu4f7/2=84.0eV,BEPt4f7/2=71.1eV) 将样品压入In片 将Ar离子注入到样品表面
２
定性、定量分析和深度分析
定性分析
鉴定物质的元素组成 ( 除H, He 以外 ), 混合物的成分分析 化学状态, 官能团分析
X射线光电子能谱
研究表面化学键结合状态
• 化学位移值是根据待测元素和它结合 的其他元素的化学结合的性质以及待 测元素的配位键而发生变化。从而根 据化学位移可以了解化学结合的性质 及存在怎样的化学键等问题。
TOF-SIMS
• TOF-SIMS(含飞行时间分析器的二 次离子质谱仪)作为一个表面专门 分析技术 ,在表面化学分析中发挥 着重要作用。
X射线光电子能谱
• XPS(X射线光电子能谱 ,或称为化学分析电子 能谱)是一种分析固体表面的构成元素及化 学键状态的电子能谱法 ,这种分析方法被命 名为化学分析电子能谱法。
X射线光电子能谱(XPS)
• XPS是较为便捷地评价固体试 样化学结合状态 时, X ,被 X射线 激发的原子 发射出光电 子 ,见图 。
• （2）电离的二次粒子(溅射的原子、 分子和原子团等)按质荷比实现质 谱分离。
• (3)收集经过质谱分离的二次离子 ,可以得 知样品表面和本体的元素组成和分布。在 分析过程中 ,质量分析器不但可以提供对 应于每一时刻的新鲜表面的多元素分析数 据 ,而且还可以提供表面某一元素分布的 二次离子图像。
• T oF (Time of Flight Analyzer)的独特之处在于 其离子飞行时间(分辨)只依赖于它们的质量。 由于其一次脉冲就可得到一个全谱 ,离子利 用率最高 ,能最好地实现对样品几乎无损的 静态分析 ,而其更重要的特点是只要降低脉 冲的重复频率就可扩展质量范围 ,从原理上 不受限制。
分析表面的构成元素
• 当测量这种光电子的动能时 ,由于照射的 X 射线能量一定 ,可求出原子内的电子结合能 , 从而求得轰击束缚在原子核内层的电子所 需的能量。由于内层电子的结合能具有固 定值 ,因而通过观测光电子光谱便可确定组 成元素。
X射线光电子能谱
(2) 弛豫过程——二次过程(secondary process)
由电离过程产生的终态离子(A+*)是不稳定的， 处于高激发态它会自发发生弛豫(退激发)而变为稳 定状态。这一弛豫过程分辐射弛豫和非辐射弛豫两 种。 (i) X荧光过程(辐射弛豫) ,处于高能级上的电子向电 离产生的内层电子空穴跃迁,将多余能量以光子形 式放出。 A+*→A++hν′ (特征射线) (ii) 俄歇过程(非辐射弛豫) A+* → A++* + e− (分立能量—Auger) 俄歇电子能量并不依赖于激发源的能量和类型
XPS谱的一般特性
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另一些依赖于样品 的物理和化学性质 光电发射过程常被设想为三步（三步模型) (I). 吸收和电离(初态效应) (II). 原子响应和光电子产生(终态效应) (III). 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
ii. 震激谱线(shake-up lines). 震激特征在与顺磁物质关联的过渡金属氧 化物中是十分普遍的。有机物中碳的震激峰 与芳香或不饱和结构相关C 1s(π→π*) = 291.7 eV。 iii. 多重分裂(multiplet splitting). 偶尔会看到s轨道的分裂。与价壳层中 存在未配对电子相关。在存在开壳层的情形 下，发生在来自于闭壳层的光电发射之中。
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，这里我们定义谱峰 下所属面积为谱线强度。
1. 一级原理模型
一级原理模型(First Principle Model)是从 光电子发射的“三步模型”出发，将所观测到 的谱线强度和激发源，待测样品的性质以 及谱仪的检测条件等统一起来考虑形成一 定的物理模型。 由于模型涉及较多的因素，目前还缺乏 必要精度的实验数据，因此一级原理模型 计算还未得到真正应用。
X射线光电子能谱分析
Eb
0k时固体能带中充 满电子旳最高能级
hv Ek Eb 功函数
为预防样品上正电荷积累，固体样品必须保持和谱仪旳良 好电接触，两者费米能级一致。样品与仪器触电电位差。
实际测到旳电子动能为：
Ek' Ek (sp s ) hv Eb sp
Eb hv Ek' sp
仪器功函数
hv Ek Eb 功函数来自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，相应每一种终态，在图谱上将有一条谱 线。
配位体相同步，多重分裂与未成对电子数正有关。多重 分裂谱线能量差与配位体离子电负性有关，能够用于 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 在图谱上出现旳伴峰。
§7.1 电子能谱旳基本原理
基本原理就是光电效应。 在高于某特定频率旳电磁波照射下，物质内部旳电 子会被光子激发出来即光生电。
自由原子旳光电效应能量关系
hv Ek Eb
对孤立原子或分子， Eb 就是把
电子从所在轨道移到真空需旳 能量，是以真空能级为能量零 点旳。
对固体样品，必须考虑晶体势场和表面势场对光电子 旳束缚作用，一般选用费米(Fermi)能级为参照点。
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=hhvv-KE.Ek' -W.spF进而得到激发电子旳结合能 。
我们就是为了得到样品旳结合能！
能量分析器
电子能量分析器其作用是探测样品发射出来旳不同 能量电子旳相对强度。它必须在高真空条件下工作 即压力要低于10-3帕，以便尽量降低电子与分析器 中残余气体分子碰撞旳几率。
X射线光电子能谱(XPS)
化学位移
Inst. Of Photoelectronics
➢ 谱峰的物理位移和化学位移
物理位移：固体的热效应与表面荷电的作用引起的谱峰位移
化学位移：原子所处化学环境的变化引起的谱峰位移
产生原因：
(1)价态改变：内层电子受核电荷的库仑力和荷外其他电子
的屏蔽作用；电子结合能位移Eb；
• 氧化作用使内层电子结合能上升，氧化
(2)筒镜式电子能量分析器
（CMA)
同轴圆筒，外筒接负压、内
筒接地，两筒之间形成静电
场；
灵敏度高、分辨率低；二级
串联；
X射线光电子能谱仪
Inst. Of Photoelectronics
➢ 检测器
• 产生的光电流：10-3～10-9mA；
• 电子倍增器作为检测器；
• 单通道电子倍增器；多通道电子倍增器；
给出表面的化学组成，原子排列，电子状态等信息。
• 对于XPS和AES还可以对表面元素做出一次全部定性和定量
分析，还可以利用其化学位移效应进行元素价态分析；利
用离子束的溅射效应可以获得元素沿深度的化学成份分布
信息。
• 此外，利用其高空间分别率，还可以进行微区选点分析，
线分布扫描分析以及元素的面分布分析。
电子的能量是特征的。
• 因此，我们可以根据光电子的结合能定性分析物质的元
素种类。
X射线光电子能谱仪
Inst. Of Photoelectronics
样品
光电子
能量分析器
探测器
X射线源
AlK或MgK
超高真空系统
优于10-9mbar
数据处理系统
Inst. Of Photoelectronics
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1.1.1、X射线光电子能谱(XPS)
ห้องสมุดไป่ตู้
所用激发源(探针)是单色X射线，探测从表 面出射的光电子的能量分布。由于X射线的 能量较高，所以得到的主要是原子内壳层轨 道上电离出来的电子。XPS的物理基础：光 电效应。 瑞典Uppsala大学物理研究所Kai Siegbahn 教授及其小组在二十世纪五十和六十年代对 XPS的实验设备进行了几项重要的改进并逐 步发展完善了这种实验技术，首先发现内壳 层电子结合能位移现象，并将它成功应用于 化学问题的研究中。X射线光电子能谱不仅 能测定表面的元素组成，而且还能给出各元 素的化学状态和电子态信息。 Kai Siegbahn由于其在高分辨光电子能谱方 面的开创性工作和杰出贡献荣获了1981年的 诺贝尔物理奖。
缺点：
1.
1.1.3、XPS可提供的信息和功用
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
样品表面(1-12 nm)元素组成的定性和半定量测 定(误差<±10%)； 表面或体相存在的污染(杂质)元素； 纯材料的实验式（无表面污染情况下）； 样品中元素的化学态鉴别； 优异的化学信息和分子环境的信息（原子局域成 键状态、官能团、以及分子结构等信息）； 详细的电子结构信息，电子态的结合能，电子态 密度，固体价电子能带结构和某些几何结构信息； 各元素在表面分布均匀性（线扫描或化学成像） 样品内的元素深度分布均匀性（深度剖析）。
主要内容(Outline)
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章
XPS的物理基础 结合能与化学位移 电子能谱仪构造 谱图一般特征 定性分析方法 定量分析和深度剖析方法 数据处理方法 在材料科学中的应用
第1章 XPS的物理基础
1. 2. 3.
4.
5.
X射线光电子能谱及其特性 电子能级及其表示 光电效应 俄歇效应 表面与表面灵敏性
1.1.2、X射线光电子能谱的特性
除氢和氦以外元素周期表中所有元素都有分立特征谱峰； 近邻元素的谱线分隔较远，无系统干扰。 可观测的化学位移。与氧化态和分子结构相关，与原子电 荷相关，与有机分子中的官能团有关。 可定量的技术。测定元素的相对浓度，测定同一元素不同 氧化态的相对浓度。 表面灵敏技术。采样深度约1~10nm，信号来自最表面的十 数个原子单层。 分析速度快，可多元素同时测定。 样品的广泛适用性。固体样品用量小，不需要进行样品前 处理。 需要超高真空实验条件
1.1.1、X射线光电子能谱(XPS)
当软X射线作为探针作用于物质,入射X射线光子与 物质中的原子发生相互作用，经历各种能量转递 的物理效应后，使原子发生光电离。所释放出的 电子具有原子的特征信息，亦即具有特征能量。 通过对这些电子特征信息的解析，可以获得物质 中原子的各种信息,如元素种类和含量，化学环境， 化学价态等。 收集、检测和记录和分析这些特征信号电子的能 量分布和空间分布的方法技术 , 就是 X 射线光电子 能谱学。
3.
4. 5. 6.
7.
8.
王建祺等编,《电子能谱学(XPS/XAES/UPS)引论》，国防工业出版社， 1992
刘世宏等编,《X射线光电子能谱分析》，科学出版社，1988
课程目的
X射线光电子能谱学的基本物理原理？ X射线光电子能谱能解决什么问题？ X射线光电子能谱图怎样识别？ X射线光电子能谱实验要注意那些问题？
X射线光电子能谱(XPS)
优点：
1. 2. 3.
4.
5. 6.
可测除H、He以外的所有元素。 亚单层灵敏度；探测深度1～10nm，依赖材料和实 验参数。 定量元素分析；检测限：0.1–1.0 at% 优异的化学信息，化学位移和伴峰结构与完整的标准 化合物数据库的联合使用。 分析是非结构破坏的；X射线束损伤通常微不足道 详细的电子结构和某些几何信息。 横向分辨率较低，15m(小面积)，1m(成像)。
1.1、X射线光电子能谱及其特性
X射线光电子能谱(X-Ray Photoelectron Spectroscopy)，简称XPS，别称ESCA X射线光电子能谱学是1960年代末发展成熟起来的 一门独立完整的综合性学科。它与多种学科相互 交叉，融合了物理学，化学，材料学，真空电子 学，以及计算机技术等多学科领域。 XPS是表面灵敏的定量谱学技术，可分析材料中存 在的元素构成，经验式，以及元素的化学态和电 子态。 它是研究原子，分子和固体材料的有力工具。
X-Ray Photoelectron Spectroscopy 原理、方法和应用
《X射线光电子能谱学》
麻茂生
参考文献
1. 2.
课件下载：/~mams/escalab.html John F. Watts & John Wolstenholme, “An introduction to surface analysis by XPS and AES”, John Wiley & Sons, 2003 David Briggs and John T. Grant, “Surface Analysis by Auger and X-Ray Photoelectron Spectroscopy”, IM Publications, 2007, ISBN: 1-901019-04-7 D. Briggs & M. P. Seah, “Practical Surface Analysis (Second Edition), Volume 1: Auger and X-ray Photoelectron Spectroscopy”, John Wiley & Sons, 1992 Graham C. Smith, “Surface Analysis by Electron Spectroscopy: Measurement & Interpretation”, Plenum Press, New York, 1994 吴正龙译著，《表面分析(XPS和AES) 引论》，华东理工大学出版社， 2008 黄惠忠等编，《表面化学分析》，华东理工大学出版社，2007