光电子能谱仪
【做计算 找华算】【干货】XPS基本原理、仪器结构和使用方法、实验技术、实验实例
表面分析神器丨XPS基本原理、仪器结构和使用方法、实验技术、实验实例X-射线光电子谱仪（X-ray Photoelectron Spectroscopy，简称为XPS），经常又被称为化学分析用电子谱（Electron Spectroscopy for Chemical Analysis，简称为ESCA），是一种最主要的表面分析工具。
XPS作为当代谱学领域中最活跃的分支之一，它除了可以根据测得的电子结合能确定样品的化学成份外，XPS最重要的应用在于确定元素的化合状态。
XPS可以分析导体、半导体甚至绝缘体表面的价态，这也是XPS的一大特色，是区别于其它表面分析方法的主要特点。
此外，配合离子束剥离技术和变角XPS技术，还可以进行薄膜材料的深度分析和界面分析。
基本原理XPS方法的理论基础是爱因斯坦光电定律。
用一束具有一定能量的X射线照射固体样品，入射光子与样品相互作用，光子被吸收而将其能量转移给原子的某一壳层上被束缚的电子，此时电子把所得能量的一部分用来克服结合能和功函数，余下的能量作为它的动能而发射出来，成为光电子，这个过程就是光电效应。
该过程可用公式表示：hγ=E k+E b+E r（1）hγ：X光子的能量（h为普朗克常数，γ为光的频率）；E k：光电子的能量；E b：电子的结合能；E r：原子的反冲能量。
其中E r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E b，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。
公式（1）还可表示为：E k= hγ- E b-ΦE b= hγ- E k-Φ仪器材料的功函数Φ是一个定值（谱仪的功函数），约为4eV，入射光子能量已知，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。
原子能级中电子的结合能(Binding Energy，简称为B.E.)。
第四章 XPS光电子能谱
dI = I 0 dt / ( EK )
（EK）是一个常数，与电子的动能有关，称为光电子非弹性散射自由程或 者电子逸出深度。有时也被称为非弹性散射“平均自由程”。如果t代表垂直 固体表面并指向固体外部的方向，则（EK）就是“平均逸出深度”。这样， 光电子垂直于固体表面发射，并经历距离t后的强度为：
实验中发现，光电子的逸出深度对于不同材料以及不同动能的光电子时不同 的。为了便于定量计算，人们做了大量的工作，综合大量的实测数据，总结 出了一下经验公式。 对于单质材料，（EK）与元素种类无关，只与电子的动能有关。如果光 电子的动能在100～2000 eV之间，则近似与（EK）½成正比。
h+A A
*, +
+e
在某些情况下，还会引起俄歇电子的 发射。（为什么？）俄歇电子发射对 于材料的结构分析很有用处。
X射线光电子能谱分析的基本原理
1、光电效应（光致发射或者光电 离）： 当光子与材料相互作用时，从原子中 各个能级发射出的光电子的数目是不 同的，有一定的几率。光电效应的几 率用光电截面表示，定义为某能级 的电子对入射光子的有效能量转移面 积，或者一定能量的光子从某个能级 激发出一个光电子的几率。所以， 与电子所在壳层的平均半径r，入射光子的频率和受激原子的原子序数Z有关。 一般来说，在入射光子的能量一定的情况下： 1、同一原子中半径越小的壳层，光电效应截面越大；电子结合能与入射光子的 量越接近，光电效应截面越大。 2、不同原子中同一壳层的电子，原子序数越大，光电效应截面越大。 光电效应截面越大，说明该能级上的电子越容易被光激发。与同原子其他壳层上 的电子相比，它的光电子峰的强度就大。科学工作者已经对Al和Mg的K线激发 下，各元素的各能级的光电效应截面经行了计算。 X射线(h) 光电子(e-)
X射线光电子能谱仪介绍
X射线光电子能谱仪介绍X射线光电子能谱仪是一种广泛应用于材料科学、化学、生物学等领域的分析仪器，它主要用于研究材料的表面成分、结构和化学状态。
该仪器可以通过测量材料表面吸收X射线后产生的光电子能谱，进而分析材料的元素组成、化学键信息等。
X射线光电子能谱仪的基本原理是利用X射线轰击材料表面后产生的光电子来获取样品的信息。
当X射线照射在样品表面时，X射线能量会激发材料表面的原子电子跃迁至高能级轨道，产生光电子。
这些光电子的能量与原子的特性有关，通过测量光电子的能谱，可以得到材料中不同元素的信息。
X射线光电子能谱仪由X射线源、光电子能谱仪和数据处理系统等主要部分组成。
X射线源通常采用非晶硼靶X射线管或单晶硼靶X射线管，产生具有一定能量和强度的X射线束。
光电子能谱仪包括一个光电子分析区域、一个能量分辨区域和一个探测器，用于测量光电子的角分布和能谱信息。
数据处理系统通常包括数据采集卡、计算机和数据分析软件，用于采集和处理测量到的光电子能谱数据。
X射线光电子能谱仪可以提供丰富的分析信息，包括表面元素成分、化学键信息、表面形貌等。
通过测量样品的XPS谱图，可以确定样品中元素的种类、含量和化学状态，进而研究样品的特性和性能。
此外，X射线光电子能谱仪还可以用于薄膜和涂层的表征、催化剂的研究、界面分析等领域。
在实际应用中，X射线光电子能谱仪具有多种优点，如高灵敏度、高分辨率、非破坏性、定量分析准确等。
它可以应用于不同类型的样品，包括金属、半导体、陶瓷、聚合物等材料，适用于不同尺寸和形态的样品分析。
总的来说，X射线光电子能谱仪是一种重要的表面分析仪器，广泛用于材料科学、化学、生物学等领域的研究。
它为科研人员提供了强大的分析手段，有助于深化对材料表面的理解，推动科学研究和技术发展。
能谱仪的工作原理
能谱仪的工作原理
能谱仪是一种用于分析物质中元素成分的仪器。
它基于原子吸收光谱的原理进行操作。
其主要工作原理可以分为以下几个步骤：
1. 光源：能谱仪使用一种光源产生一束连续可见光的光线。
通常使用的光源包括氢灯、钨灯等。
2. 光栅：将产生的白光经过光栅进行色散，使不同波长的光被分离出来。
光栅上的线条数量越多，则分离的波长越多，分辨率越高。
3. 样品室：样品室是放置待测物质的空间。
在分析前，样品需要经过特殊处理，如溶解或研磨成粉末。
4. 样品进样：将经过处理的样品进入样品室中。
进样时，样品会被蒸发，并形成一个原子气云。
5. 激发：通过一个充满能量的光源来激发样品中的原子。
激发后，原子会从基态跃迁到激发态。
6. 吸收：激发的原子处于激发态时，会与通过的光子发生共振吸收。
吸收的能量与原子的电子结构有关，而原子的电子结构与元素的独特特征有关，因此可以通过吸收光的特征来确定元素的存在。
7. 检测：通过检测器测量通过样品后光线的强度变化。
利用比
较进样前后吸收光的强度，可以得到吸收谱线。
检测器常用的有光电倍增管（PMT）或光电二极管（PD）。
8. 分析：将吸收谱线转换为能谱图，通过对比样本与已知标准的能谱图，可以确定样品中的元素种类和含量。
通过以上步骤，能谱仪可以准确分析样品中的元素成分，并提供有关元素含量的信息，为科学研究和工业控制提供了重要的帮助。
X射线光电子能谱分析(XPS)
第18章X射线光电子能谱分析18.1 引言固体表面分析业已发展为一种常用的仪器分析方法，特别是对于固体材料的分析和元素化学价态分析。
目前常用的表面成分分析方法有：X射线光电子能谱（XPS）, 俄歇电子能谱(AES)，静态二次离子质谱(SIMS)和离子散射谱(ISS)。
AES 分析主要应用于物理方面的固体材料科学的研究，而XPS的应用面则广泛得多，更适合于化学领域的研究。
SIMS和ISS由于定量效果较差，在常规表面分析中的应用相对较少。
但近年随着飞行时间质谱（TOF-SIMS）的发展，使得质谱在表面分析上的应用也逐渐增加。
本章主要介绍X射线光电子能谱的实验方法。
X射线光电子能谱（XPS）也被称作化学分析用电子能谱（ESCA）。
该方法是在六十年代由瑞典科学家Kai Siegbahn教授发展起来的。
由于在光电子能谱的理论和技术上的重大贡献，1981年，Kai Siegbahn获得了诺贝尔物理奖。
三十多年的来，X射线光电子能谱无论在理论上和实验技术上都已获得了长足的发展。
XPS已从刚开始主要用来对化学元素的定性分析，业已发展为表面元素定性、半定量分析及元素化学价态分析的重要手段。
XPS的研究领域也不再局限于传统的化学分析，而扩展到现代迅猛发展的材料学科。
目前该分析方法在日常表面分析工作中的份额约50%，是一种最主要的表面分析工具。
在XPS谱仪技术发展方面也取得了巨大的进展。
在X射线源上，已从原来的激发能固定的射线源发展到利用同步辐射获得X射线能量单色化并连续可调的激发源；传统的固定式X射线源也发展到电子束扫描金属靶所产生的可扫描式X射线源；X射线的束斑直径也实现了微型化，最小的束斑直径已能达到6μm大小, 使得XPS在微区分析上的应用得到了大幅度的加强。
图像XPS技术的发展，大大促进了XPS在新材料研究上的应用。
在谱仪的能量分析检测器方面，也从传统的单通道电子倍增器检测器发展到位置灵敏检测器和多通道检测器，使得检测灵敏度获得了大幅度的提高。
利用电子能谱仪进行材料表征的方法
利用电子能谱仪进行材料表征的方法材料表征是研究材料性质和结构的重要手段之一，而电子能谱仪则是一种常用的表征工具。
它通过测量材料中电子的能量分布，可以提供关于材料的元素成分、化学状态、电子结构等重要信息。
本文将介绍利用电子能谱仪进行材料表征的方法，并探讨其在材料科学研究中的应用。
一、X射线光电子能谱（XPS）X射线光电子能谱是电子能谱仪中最常用的技术之一。
它利用X射线照射样品，当X射线与样品表面的原子相互作用时，会发射出光电子。
通过测量光电子的能量和强度，可以得到样品的元素成分、化学状态以及表面电子结构信息。
XPS技术具有高分辨率、非破坏性和表面敏感性的特点，可以用于研究各种材料，如金属、半导体、陶瓷和生物材料等。
例如，在金属材料的研究中，XPS可以提供金属表面的氧化态、金属与氧化物界面的结构等信息，有助于理解金属材料的氧化行为和腐蚀机制。
二、透射电子能谱（TEM）透射电子能谱是一种通过透射电子显微镜进行的表征技术。
它利用高能电子束穿透样品，测量透射电子的能量和散射角度，从而得到样品的元素成分、晶体结构和晶格缺陷等信息。
TEM技术具有高分辨率和高灵敏度的特点，可以用于研究纳米材料、薄膜材料和生物材料等。
例如，在纳米材料的研究中，TEM可以提供纳米颗粒的尺寸、形貌和晶体结构等信息，有助于理解纳米材料的物理和化学性质。
三、能量散射谱（EDS）能量散射谱是一种通过能谱仪进行的表征技术。
它利用电子束与样品相互作用时，样品中的原子会发射出散射电子。
通过测量散射电子的能量和强度，可以得到样品的元素成分和分布信息。
EDS技术具有高灵敏度和高分辨率的特点，可以用于研究材料的成分和界面分布等。
例如，在复合材料的研究中，EDS可以提供不同组分的元素含量和分布信息，有助于理解复合材料的结构和性能。
四、角度分辨光电子能谱（ARPES）角度分辨光电子能谱是一种通过光电子能谱仪进行的表征技术。
它利用光子照射样品，测量光电子的能量和发射角度，从而得到样品的能带结构和费米面形貌等信息。
XPS
简介
真空技术的发展是电子能谱学发展的重要前提。由于粒子可以和气体分子发生 碰撞，从而损失能量，因此，没有超高空技术的发展，各种粒子很难到达固体样品 表面，从固体表面发射出的电子或离子也不能到达检测器，从而难以获得电子能谱 的信息。此外，电子能谱的信息主要来源于样品表面，没有超高空技术，就很难获 得稳定的清洁表面。
XPS在化学上的应用 及实例分析
定性分析
可以根据光电子的结合能定性分析物质的元素种类，这种直接进行元素定性的主要依据 是组成元素的光电子线和俄歇线的特征能量值具有唯一性。与AES定性分析一样，XPS 分析也是利用已出版的XPS手册。如图为X射线光电子能谱手册上的47号元素Ag的标准 图谱。
解析步骤
A + hv = A+ *+ e-(分立能量）
XPS的基本原理
用公式表示为：
Ek=hv-Eb-Ws
结合能（Eb）:电子克服原子核束缚和周围电子的作用，到达费 米能级所需要的能量； 费米能级：能带中充满电子的最高能级； 逸出功Ws:固体样品中电子由费米能级跃迁到自由电子能级所需 要的能量。
PART FOUR
XPS主要应用在表面分析和价态分析方面，给出表面的化学组成、原子排列、电 子状态等信息。XPS可以对表面元素做出一次全部定性和定量的分析，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 学成分分布信息。特别强调的是，XPS提供的半定量结果是表面3~5nm的成分，而 不是样品整体的成分。此外，利用其高空间分辨率，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。固体样品中除氢、氦之外的所有元素都可以 进行XPS分析。随着科学技术的发展，XPS也在不断地完善，总体发展趋势是向高空 间分辨、高能量分辨以及图像分析方面发展。
XPS
光电子特征峰
16000
Pt4f5/2
Pt4f7/2
14000
intensity / cps
12000
10000
8000
6000 82 80 78 76 74 72 70 68 66 64 62
Binding Energy / eV
Your company slogan
光电子特征峰伴峰 光电子特征峰伴峰
X‚U光电 能谱 线 能谱
X-ray photoelectron spectroscopy analysis
彭三 史景涛
Your company slogan
内
1. XPS概述 概述 2. XPS基本原理 基本原理 3. XPS能谱仪 能谱仪 4. XPS的应用 的应用
5. XPS谱的认识 XPS谱的认识
Your company slogan
优点及特点： 优点及特点：
⑴固体样品用量小，不需要进行样品前处理，从而避免 了引入或丢失元素所造成的误分析 ⑵表面灵敏度高，一般信息深度<10nm ⑵表面灵敏度高，一般信息深度<10nm ⑶分析速度快，可多元素同时测定 ⑷可以给出原子序数3 92的元素信息，以获得元素成分 ⑷可以给出原子序数3-92的元素信息，以获得元素成分 分析 ⑸可以给出元素化学态信息，进而可以分析出元素的化 学态或官能团 ⑹样品不受导体、半导体、绝缘体的限制等 ⑺是非破坏性分析方法。结合离子溅射，可作深度剖析
4000
Zn2p1/2
32000 30000 28000
3500
3000
2500 406 404 402 400 398 396 394
26000 1050 1040 1030 1020 1010
(完整版)X射线光电子能谱分析
结合能( EB)：电子克服原子核束缚和周围电子的作 用，到达费米能级所需要的能量。
XPS的基本原理
2. 光电离几率和XPS的信息深度 （1）光电离几率 ➢ 定义
光电离几率(光电离截面)：一定能量的光子在与原 子作用时，从某个能级激发出一个电子的几率； ➢ 影响因素 与电子壳层平均半径，入射光子能量，原子序数有 关；
➢ 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。
光电子能谱仪实验技术
1．Ｘ射线激发源
XPS中最常用的X射线源主要由灯丝、栅极和阳极 靶构成。
X射线源的主要指标是强度和线宽，一般采用K 线，因为它是X射线发射谱中强度最大的。在X射线 光电子能谱中最重要的两个X射线源是Mg和Al的特征 K射线.
种基于光电效应的电子能谱，它是利 用X射线光子激发出物质表面原子的内 层电子，通过对这些电子进行能量分 析而获得的一种能谱。
这种能谱最初是被用来进行化学分析 ，因此它还有一个名称，即化学分析
电子能谱（ ESCA，全称为Electron Spectroscopy for Chemical Analysis）
XPS的基本原理
化学位移 1. 定义
由于化合物结构的变化和元素氧化状态的变化引 起谱峰有规律的位移称为化学位移 2. 化学位移现象起因及规律 （1）原因
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。因而元素的价态改变或周围元素的电负性改 变，则内层电子的结合能改变。
XPS的基本原理
➢ 与氧化态关系
光电子能谱仪实验技术
光电子能谱仪的结构 电子能谱仪主要由激发源、电子能量分析
光电子能谱仪实验技术
X射线能谱仪的原理介绍
X射线能谱仪的原理介绍在许多材料的研究与应用中，需要用到一些特殊的仪器来对各种材料从成分和结构等方面进行分析研究。
其中，X射线能谱仪(XPS)就是常用仪器之一。
下面详细介绍一下X射线能谱仪的基本原理、结构、优缺点及应用。
X射线光电子能谱(XPS)也被称作化学分析用电子能谱(ESCA)。
该方法是在六十年代由瑞典科学家KaiSiegbahn教授发展起来的。
由于在光电子能谱的理论和技术上的重大贡献，1981年，KaiSiegbahn获得了诺贝尔物理奖。
三十多年的来，X射线光电子能谱无论在理论上和实验技术上都已获得了长足的发展。
XPS已从刚开始主要用来对化学元素的定性分析，已发展为表面元素定性、半定量分析及元素化学价态分析的重要手段。
XPS的研究领域也不再局限于传统的化学分析，而扩展到现代迅猛发展的材料学科。
目前该分析方法在日常表面分析工作中的份额约50%，是一种主要的表面分析工具。
基本原理X射线能谱仪为扫描电镜附件，其原理为电子枪发射的高能电子由电子光学系统中的两级电磁透镜聚焦成很细的电子束来激发样品室中的样品，从而产生背散射电子，二次电子、俄歇电子、吸收电子、透射电子、X射线和阴极荧光等多种信息。
若X射线光子由Si(Li)探测器接收后给出电脉冲讯号，由于X射线光子能量不同(对某一元素能量为一不变量)经过放大整形后送人多道脉冲分析器，通过显象管就可以观察按照特征X射线能量展开的图谱。
一定能量上的图谱表示一定元素，图谱上峰的高低反映样品中元素的含量(量子的数目)这就是X射线能谱仪的基本原理。
结构能谱仪由半导体探测器、前置放大器和多道脉冲分析器组成。
它是利用X射线光子的能量来进行元素分析的。
X射线光子有锂漂移硅Si(Li)探测器接收后给出电脉冲信号，该信号的幅度随X 射线光子的能量不同而不同。
脉冲信号再经放大器放大整形后，送入多道脉冲高度分析器，然后根据X射线光子的能量和强度区分样品的种类和高度。
X射线能谱仪的优点与缺点1、X射线能谱仪的优点(1)能快速、同时对除H和He以外的所有元素进行元素定性、定量分析，几分钟内就可完成；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。
XPS简介
电负性：F >O > C > H
4个碳元素所处化学环境 不同
4.常见有机化合物的电子结合能
⑴简单的烃类化合物及其衍生物 ①小分子烃类化合物C1s的Eb变化不大 ②多卤代或C+的结合能增值较大 ③其他类型化合物C1s的化学位移最大不超过3eV ⑵含氮化合物 ①铵盐中N1s的电子结合能变化不大，在400±1.0范围 ②芳胺的N1s的电子结合能大于铵盐中N+1s 的电子结合能 ⑶含磷化合物 ①三价P+的电子结合能高于三价P ②五价P的电子结合能高于三价P
原子序数 元素种类 测试能级 2～12 He～Mg 1s 13～33 Al～As 2p 34～66 Se～Dy Sm 3d 67～71 Ho～Lu 4d 72～92 Ta～U 4f
4.谱带强度
二.电子能谱仪简介
主要由超高真空系统、激发光源、单色器、样品室、 能量分析器、检测器和记录系统组成。如下图：
进一步逸出，导致动能的改变和谱峰的变宽。
消除方法:①导体样品要确保样品和谱仪金属部分之间的优良 电接触，通过谱仪消除荷电。 ②绝缘体需要一个附加的低能电子枪中和样品表面的正电荷， 称之为电中和法。
6.仪器的主要性能指标：评价X射线光电子能谱仪性能优
劣的主要指标是仪器的灵敏度和分辨率，可分别用信号强 度S和半峰高高度△E1/2来表示。 灵敏度：灵敏度高有利于提高元素检测的最低极限和一般的 测量精度，可以在较短的时间内获得高信噪比的测量结果。 分辨率：包括绝对分辨率和相对分辨率。 ①绝对分辨率：谱峰的半峰高宽带定义为绝对分辨率。对 △E1/2的贡献来自X射线激发源的自然线宽△Ex ，受激原 子的能级线宽△EN和能量分析器的线宽△EA 。若三者具 有高斯分布，则： △E1/2 = (△EX + △EN + △EA )1/2 ②相对分辨率：谱峰的半峰高宽带与基线的比值，即△E1/2 /E.
2024年X射线光电子能谱(XPS)市场前景分析
2024年X射线光电子能谱(XPS)市场前景分析引言X射线光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectroscopy，简称XPS），也被称为电子能谱仪（ESCA），是一种表征材料表面化学成分和化学态的非破坏性分析技术。
XPS技术通过测量材料表面的光电子发射能谱，可以获取样品的元素组成、化学键态、表面电子能级等信息。
本文将对XPS市场前景进行分析。
XPS市场概述近年来，X射线光电子能谱市场呈现出稳步增长的趋势。
XPS技术在材料科学、表面科学、纳米材料、半导体行业等领域具有广泛的应用。
XPS技术提供了高分辨率和高灵敏度的表征能力，能够满足科学研究和工业生产对材料表面性质的需求，因此在市场上受到了广泛的关注。
XPS市场驱动因素1. 材料科学和表面科学的发展随着科学技术的飞速发展，材料科学和表面科学的研究日益深入。
XPS技术作为表征材料表面的重要手段，为科学家们提供了研究材料性质的有力工具，推动了XPS 技术市场的增长。
2. 电子器件的需求增加随着电子器件行业的飞速发展，对高性能材料的需求不断增加。
XPS技术能够提供材料表面的元素组成和化学状态信息，为电子器件材料的研发和生产提供了重要参考，因此在电子器件行业中的应用前景广阔。
3. 环境保护和能源领域的需求环境保护和能源领域对材料表面性质的研究和表征需求日益增加。
XPS技术可以提供材料表面的化学成分和化学键态信息，帮助科学家们研究材料的表面反应性和催化性能，为环境保护和能源领域的研究提供有效支持。
XPS市场挑战和机遇挑战1.仪器价格较高：XPS设备的研发和制造成本较高，导致仪器价格相对较高，限制了中小型企业和科研机构的购买意愿。
2.技术复杂性：XPS技术在操作和数据处理方面存在一定的复杂性，需要具备一定的专业知识和技术能力。
对于一些非专业用户来说，使用和维护XPS设备可能存在一定困难。
机遇1.技术创新和应用拓展：随着科学技术的进步和需求的增加，XPS技术不断创新和应用拓展，例如高分辨率XPS、XPS显微镜等，为XPS市场的发展提供了新机遇。
紫外线电子能谱仪(UPS)-紫外光电子能谱(UPS)的原理及应用
紫外线电子能谱仪（UPS）-紫外光电子能谱（UPS）的原理及应用光电子能谱技术自二十世纪六十年代迅速发展起来，并成为研究固体材料表面态的最重要和有效的分析技术之一，主要包括X射线光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectroscopy，简称XPS）和紫外光电子能谱（Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy，简称UPS）两个分支体系。
Tunner等人所发展的紫外光电子能谱，它的激发源在属于真空紫外能量范围，可以在高能量分辨率（10~20meV)水平上探测价层电子能级的亚结构和分子振动能级的精细结构，是研究材料价电子结构的有效方法。
1.紫外光电子能谱的测量原理UPS测量的基本原理与XPS相同，都是基于爱因斯坦光电定律。
对于自由分子和原子，遵循EK=hn-EB-Φsp，其中，hn为入射光子能量（已知值），EK为光电过程中发射的光电子的动能（测量值），EB为内层或价层束缚电子的结合能（计算值），Φsp为谱仪的逸出功（已知值，通常在4eV左右）。
但是所用激发源的能量远远小于X光，因此，光激发电子仅来自于非常浅的样品表面（~10Å），反映的是原子费米能级附近的电子即价层电子相互作用的信息。
图1光电子能谱测量原理图2.紫外光电子能谱的装置一般用于UPS测试的理想的激发源应能产生单色的辐射线且具有一定的强度，常采用惰性气体放电灯（如He共振灯），其在超高真空环境下（约10-8mbar）通过直流放电或微波放电使惰性气体电离，产生带有特征性的橘色的等离子体，主要包含HeI共振线（波长为584Å，光子能量为21.22eV）和HeII共振线（波长为304Å，光子能量为40.8eV），其中，HeI线的单色性好（自然线宽约5meV），强度高，连续本底低，是目前常用的激发源。
图2用于UPS的He共振线光子能量及强度3．紫外光电子能谱的分析方法紫外光电子能谱通过测量价层电子的能量分布从中获得有关价电子结构的各种信息，包括材料的价带谱、逸出功、VB/HOMO位置以及态密度分布等。
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。
角分辨光谱仪原理
角分辨光谱仪原理
角分辨光电子能谱仪（ARPES）是一种利用光电效应直接探测固体材料电子结构的技术。
当光照射到材料上时，材料中的电子可以吸收光子的能量。
当电子的动能克服了材料表面功函数的束缚时，电子会从材料中逃逸出来。
利用能谱仪收集这些电子，并根据其出射角度和能量，可以推断出材料内部的电子结构。
角分辨光电子能谱实验中，光电效应的矩阵元对信号强度有明显的调制，并提供了波函数的对称性信息。
现代ARPES 具有高能量和动量分辨率，使我们能够解析能带色散的重整化效应。
在大多数情况下，重整化的能带包含两种主要多体相互作用中的一种或两种，即电子-电子相互作用和电子-玻色子相互作用（如声子或磁性元激发等）。
通过这些仪器，研究人员做过许多的实验并取得了很多成果，如首次探测到一些铁基超导体的电子结构，超导能隙等相关信息。
现代X光电子能谱仪简介
处 ，产 生 的ｘ 经过 凹面 石 英 晶体 布拉 格 反射 后 聚 焦 照 光 射 到 样 品上 ， 凹面 石 英 晶体 的反射 使 得 ｘ 线 聚 焦成 一 射 个 束 斑 ，提 高 了ｘ 照 射 到样 品上 的 功 率密度 。在 此 方 光
子光 学成 像 中一 个透 镜 。 ３ 传输 透 镜 ．
安装半球型能量分析器的现代 电子能谱仪一般采用
传 输 透镜 。传 输透 镜 的作用 将样 品成像 到 能量分 析 器 的 入 口处 ，增加 收集 角 ，提 高灵 敏 度 ，另 外可 使庞 大 的能 量分 析 器远 离仪 器 分析 室 ，腾 出更 大 的空 间 ，安装其 它
析 器 还 有一 个 好 处 ，在 成 像Ｘ Ｓ （ Ｘ Ｓ） 中，Ｈ Ａ 电 Ｐ ｉＰ Ｓ为
经过 石 英 晶体 发 生布 拉格 衍 射 使Ａ 的ｘ 线 单色 化 。 为 １ 射 了增 加 照射 样 品 的ｘ 强 度 ，提 高 灵 敏度 和 实现 小束 斑 光 ＸＳ Ｐ 分析 ， 不 同 的仪器 厂 家采 用 不 同 的方法 。第 一种 方
需 要选 用 其它 ｘ 线 源 ，如Ａ ＬＱ（ ９ ４ ３ Ｖ），ｒ ＫＱ 射 ｇ ２ ８ ． ｅ ｉ
（ ５ Ｏ Ｖ ，Ｃ ＫＢ（ ９ ６ ７ Ｖ 。 ４ １ ｅ ） ｒ ５ ４ ， ｅ ）
一
自从 上世 纪五 十年 代 至今 ， 电子能谱 仪 已经 发展 了
半个 多世 纪 ，其 功 能得 到 了完善 和扩 充 ，性 能得 到 了很 大 的提 高 ，仪器 的维 护 使用 和 自动 化程度 也得 到 了很大 的提 高 ［ 。对 于 一些 电子 能谱仪 的基 本 结构 单 元 、性 卜
电子能谱仪的优缺点
电子能谱仪的优缺点电子能谱仪是一种常用的表面分析仪器，它能够测定物质的元素组成、化学键状态、表面密度、取向、化学计量等各种信息。
本文将重点探讨电子能谱仪的优缺点。
优点1. 高灵敏度相比于其他表面分析仪器，电子能谱仪具有非常高的灵敏度，可以测量物质中含量为0.1%的元素。
2. 高分辨率电子能谱仪能够提供非常高的分辨率，能够区分具有相同元素组成但不同化学键状态的化合物。
3. 非破坏性测量电子能谱仪采用激光束或电子束轰击样品表面产生光电子，测量光电子的能量信息来分析样品表面的元素组成和化学键状态，因此不会对样品造成损伤，可重复使用。
4. 快速测量电子能谱仪具有非常高的测量速度，每个样品只需要几分钟的时间就可以完成分析。
缺点1. 分析深度有限电子能谱仪只能对样品表面进行分析，其分析深度在10纳米以内，因此对于厚度较大的样品和多层膜的分析存在困难。
2. 样品制备困难电子能谱仪对样品的制备有很高的要求，需要样品表面非常干净，没有杂质，并且需要制备出合适的形状和尺寸。
3. 需要标准样品校正电子能谱仪需要使用标准样品来进行校正和定量分析，因此在使用时需要准备相应的标准样品，增加了分析的复杂度和成本。
4. 分析结果易受表面环境影响电子能谱仪对样品表面环境非常敏感，例如样品表面存在氧化物、水分或者其他杂质时，分析结果易受到干扰。
结论电子能谱仪作为一种常用的表面分析仪器，在分析样品表面元素组成和化学键状态方面具有高灵敏度、高分辨率、非破坏性测量和快速测量等优点。
但是在分析深度有限、样品制备困难、需要标准样品校正和分析结果易受表面环境影响等方面也存在一些缺点。
因此在实际应用中需要根据具体需求综合考虑其优劣，选择合适的表面分析仪器进行分析。
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ESCALAB 250Xi XPS 光电子能谱仪
它可以用于研究各种固体材料样品表面（110nm厚度）的元素种类、化学价态以及相对 含量。结合离子刻蚀技术还可以获得元素及化 学态深度分布信息；通过成像技术可以获得元 素及化学态的面分布信息；利用微聚焦X射线 源或电子束可以获得微区表面信息。在金属、 玻璃、高分子、半导体、纳米材料、生物材料 以及催化等领域有广泛应用。
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光电子能谱仪
成员:刘明，马睿，孙莹，宫 智超，张新月
光电子能谱仪
一.工作原理 二.相关公司简介 三.主要品牌 四.仪器功能 五.应用领域
一.工作原理
1、设备组成 光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。
能量分析器
计算机处理
样品腔 X射线光源
二.公司简介
1.赛默飞世尔科技公司 2.岛津公司 3.铂悦仪器（上海）有限公司
1.赛默飞世尔科技公司
赛默飞世尔科技公司
赛默飞世尔科技进入中国已30年，在上海设立中国区 总部，并在北京、广州、香港、台湾、成都、沈阳、 西安、南京、武汉等地设立了分公司，员工人数3800 名。赛默飞在北京和上海共设立了6个应用开发中心， 将世界级的前沿技术和产品带给国内客户，并提供应 用开发与培训等多项服务；位于上海的中国创新中心 结合国内市场的需求和国外先进技术，研发适合中国 的技术和产品；赛默飞拥有遍布全国的维修服务网点 和特别成立的中国技术培训团队，在全国有2000 名工 程师提供售后服务。赛默飞的企业精神是建立更健康、 更清洁、更安全的世界。
2.岛津公司
AXIS-ULTRA DLD x射线光电子能谱仪
岛津公司
岛津公司在1956年参加了在中国北京和上海举办 的日本商品展览会，自此开始了与中国的交往。 1980年，岛津公司在中国北京正式设立第一个办 事处。在接下来的二十年间，岛津在中国迅速发 展业务，在各大主要城市均设立了办事处并且业 务广泛地深入到了各个相关领域和行业。 至今，岛津公司在中国已经走过了半个世纪的历 程，并且在中国共设立了八个有独立法人的公司。
1． 常规XPS，鉴别样品表面的元素种类、化学价态 以及相对含量。双阳极XPS，更适合用于不同的特殊 过渡金属元素的研究，如催化领域。 2． 深度剖析XPS，结合离子刻蚀技术对样品（如薄 膜等）进行成分深度分布分析。通过角分辨XPS还可 以进行非损伤成分深度分布分析。 3． XPS成像，可以对元素或化学态进行表面分布分 析，使一些分析结果更直观。 4． 离子能量损失谱ISS，可实现样品表面元素信息 的检测 5． 紫外光电子能谱（UPS），可以获得样品价带谱 信息，对导体、半导体的能带、带隙等分析提供主要 数据。还可以分析样品逸出功等。
强大的性能
①可选区域光谱 ②深度剖析刻蚀 ③微聚集单色器 ④快照采集 ⑤高分辩率化学态光 ⑥绝缘样品分析 ⑦定量化学成像
仪器主要功能
利用光电效应的原理，测量辐射源（光子、 电子、离子等）从样品上打出来的光电子 的动能、强度及其角分布，从而研究原子、 分子、聚集相，尤其是固体表面的电子结 构等。
主要功能
三.主要品牌
赛默飞世尔科技公司 Thermo Scientific K-Alpha Applied Biosystems Invitrogen Gibco Ion Torrent AXIS-ULTRA DLD光电子能谱仪 kratos-ultra DLD ESCALAB 250Xi XPS 光电子能谱仪 供应X-Supreme8000 X射线荧光光谱仪
工作原理
3、工作流程
光源（X-ray）
样品
电离放出光电子
能量分析器
扫描和记录系统
检测器
由激发源发出的具有一定能量的X射线，电子束，紫外 光，离子束或中子束作用于样品表面时，可将样品表面原 子中不同能级的电子激发出来，产生光电子或俄歇电子 等．这些自由电子带有样品表面信息，并具有特征动 能．通过能量分析器收集和研究它们的能量分布，经检测 纪录电子信号强度与电子能量的关系曲线．即为光电子能 谱．
3.铂悦仪器（上海）有限公司
ESCALAB 250Xi XPS 光电子能谱仪
铂悦仪器（上海）有限公司
铂悦仪器自2004年成立以来，凭借与世界各大知名仪器 品牌的战略合作关系，以及不断优化公司自身经营管理， 提高服务质量，成为中国国内知名的仪器供应商。其所 提供的产品均属于高科技行业，产品包括高精度的分析 仪器、检测仪器和生产仪器，以及成套的耗材和配件， 这些产品广泛应用于工业、半导体、太阳能、医药、医 疗器械、生物、能源、电子、石化等各个领域并服务于 各大院校、研究所、检测机构、及政府部门等。 铂悦仪器不仅拥有高品质的产品，更培养了专业的销 售、技术和售后服务团队，本着客户至上的原则，从客 户的实际需求出发，铂悦仪器为每一位客户量身订制最 适合的综合解决方案，并提供持续而良好的售后服务， 由此也获得了广大客户的信任与认可。
五、应用领域
Thermo Scientific K-Alpha
氧化石墨烯的物理化学 变化测控、半导体晶片上的 超薄薄膜结构分析、分层太 阳能电池、触摸屏复合涂层 的检测评估、等离子表面改 性、钢铁表面钝化工艺.
AXIS-ULTRA DLD x射线光电子能谱仪
主要用于各种有机和无机 固体材料的表面元素和其 价态的定性、定量分析， 表面元素的化学成像及深 度剖析。可用于腐蚀、摩 擦、浸润、粘接、催化、 包覆、氧化等表面和界面 过程的研究。
岛津公司 铂悦仪器 （上海）有 限公司
四.功能模块
Thermo Scientific K-Alpha，一体化结构的X射线 光电子能谱仪（XPS），是一款完全集成的单色 化小光斑X射线光电子能谱（XPS）系统。它性能 卓越，易用性提高和尺寸紧凑使得K-Alpha成为许 多现有以及新研发的表面分析应用领域理想解决 方案。K-Alpha是专为多用户环境推出的第一款 XPS工具，从样品进入到报告生成完全实现自动 化工作流程。最新版K-Alpha平台特征光谱性能显 著提高，提供更高计数率和更快分析时间，改善 化学探测能力。分析选配件包括一个角分辨XPS 倾斜模块和一个循环惰性气体手套箱，用于转移 空气敏感样品。
PHI 5800 ESCA 系统
真空泵组
工作原理
2、基本原理
EK=hν-Eb-Φsp
（Eb：电子结合能; Φsp：谱仪的功函数， 一般为常数; EK：电 子动能，可实验测得; hν：X射线能量）
2、基本原理
可见，当入射X射线能量一 定，测出功函数和电子的动 能，即可求出电子的结合能。 由于每种元素的电子结构是 独特的，计算出Eb就可以判 定元素的类型,由于只有表 面处的光电子才能从固体中 逸出，因而测得的电子结合 能必然反应表面化学成份的 情况。