X射线光电子能谱分析
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
7.2 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.
7.2 光电子能谱仪实验技术
要获得高分辨谱图和 减少伴峰的干扰,可以采 用射线单色器来实现。即 用球面弯曲的石英晶体制 成,能够使来自X射线源 的光线产生衍射和“聚 焦”,从而去掉伴线等, 并降低能量宽度,提高谱 仪的分辨率。
X-ray Beam angle.
X-ray penetration depth ~1mm. Electrons can be excited in this entire volume.
10 nm
1 mm2
X-ray excitation area ~1x1 cm2. Electrons are emitted from this entire area
个小字母表示。例如:3d5/2
第一个数字3代表主量子数(n) ,
小写字母代表角量子数 ; 右下角的分数代表内量子数j
j l 1/ 2
l—为角量子数,l = 0, 1, 2, 3 ……,
7.1 XPS的基本原理
注意:
在XPS谱图中自旋-轨道偶合作用的结果,使 l不等于0(非s轨道)的电子在XPS谱图上出现双 峰,而S轨道上的电子没有发生能级分裂,所以 在XPS谱图中只有一个峰。
7.2 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
7.2 光电子能谱仪实验技术
4.真空系统
2、降低活性残余气体的分压。 因在记录谱图所必需的时间内, 残留气体会吸附到样品表面上, 甚至有可能和样品发生化学反 应,从而影响电子从样品表面 上发射并产生外来干扰谱线。
纵坐标:相对强度(CPS)。
结合能为横坐标的优点: 结合能比动能更能反应电子的壳层结构(能级结构), 结合能与激发光源的能量无关
7.2 光电子能谱仪实验技术
2. 谱峰、背底或伴峰
(1)谱峰:X射线光电子入射,激发出的弹性散
射的光电子形成的谱峰,谱峰明显而尖锐。 (2)背底或伴峰:如光电子(从产生处向表面)输 送过程中因非弹性散射(损失能量)而产生的 能量损失峰,X射线源的强伴线产生的伴
X射线光电子能谱( XPS ,全称为X-
ray Photoelectron Spectroscopy)是一
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
7.1 XPS的基本原理
费米(Fermi)能级:0K固体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。
电子弛豫 :内层电子被电离后,造成原来体系的平衡势
场的破坏,使形成的离子处于激发态,其 余轨道电子结构将重新调整。这种电子结 构的重新调整,称为电子弛豫。
7.1 XPS的基本原理
7.1.1 光电效应 1. 光电效应 具有足够能量的入射光子(hν) 同样品相互作用时, 光子把它的全部能量转移给原子、分子或固体的某一 束缚电子,使之电离 。
hv A A* e A 中性原子 hv--入射光子能量 e 发射出的光电子 A* 处于激发态的离子
有机和高分子4~10nm ; 通常:取样深度 d = 3 ;
7.1 XPS的基本原理
3. XPS的特点 在实验时样品表面受辐照损伤小,能检测周
期表中除 H 和 He 以外所有的元素,并具有很
高的绝对灵敏度。
7.1 XPS的基本原理
7.1.2 XPS谱图分析中原子能级的表示方法 XPS谱图分析中原子能级的表示用两个数字和一
7.1 XPS的基本原理
7.1.3 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。
2. 定量分析 假定在分析的体积内样品是均匀的,则这种从特 定的谱线中所得到的光电子数可用谱线包括的面 积 I 表示,则元素的原子密度为:
I S
S---原子灵敏度因子-可查
1 I 1 / S1 2 I2 / S2
两种元素的浓度比:
7.2 光电子能谱仪实验技术
7.1 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;
7.1 XPS的基本原理
在入射光子能量一定的前提下,同一原子中半径越 小的壳层,越大;
7.1 XPS的基本原理
X射线激发光电子的原理
电子能谱法:光致电离; A + h A+* + e
紫外(真空)光电子能谱 X射线光电子能谱 Auger电子能谱
h
h
h
单色X射线也可激发多种核内电子或不同能级上的电子, 产生由一系列峰组成的电子能谱图,每个峰对应于一个原子 能级(s、p、d、f);
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。
298K吸附一层气体分子所需时 间10-4Pa时为1秒;10-7Pa时为 1000秒
7.2 光电子能谱仪实验技术
7.2 光电子能谱仪实验技术
7.2.2 样品的制备
7.2 光电子能谱仪实验技术
7.2.3 XPS谱图的表示 1. XPS谱图的表示 横坐标:动能或结合能,单位是eV,一般以结合能 为横坐标。
7.1 XPS的基本原理
与氧化态关系
7.2 光电子能谱仪实验技术
7.2.1 光电子能谱仪的结构 电子能谱仪主要由激发源、电子能量分析器、 探测电子的监测器和真空系统等几个部分组成。
7.2 光电子能谱仪实验技术
电子能谱仪通常采用的激发源有三种:X射线源、真空紫 外灯和电子枪。商品谱仪中将这些激发源组装在同一个样 品室中,成为一个多种功能的综合能谱仪。 电子能谱常用激发源
峰,俄歇电子峰等。
7.2 光电子能谱仪实验技术
(3)背底峰的特点 在谱图中随着结合能的增加,背底电子的强度逐渐上升 。
XPS谱图的背底随结合能值的变化关系
7.2 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。
双阳极X射线源示意图
7.2 光电子能谱仪实验技术
2. 电子能量分析器
(1)作用: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,压力要低于10-5 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。
(2)类型
7.2 光电子能谱仪实验技术
半球型电子能量分析器
改变两球面间的电位差,不同能量的电子依次通过分析
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
7.1 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。 XPS现象基于爱因斯坦于1905年揭示的光电效应,爱因斯坦由于这方面的工作被 授予1921年诺贝尔物理学奖; X射线是由德国物理学家伦琴(Wilhelm Conrad Rö ntgen,l845-1923)于 1895年发现的,他由此获得了1901年首届诺贝尔物理学奖。
7.2 光电子能谱仪实验技术
7.2.5元素的定性和定量分析 绝对灵敏度:10-18g 相对灵敏度:0.1% 1. 定性分析
(1) 先找出C1s、O1s 峰
(2)找出主峰位置,注意自旋双峰,如 p1/2,3/2; d3/2,5/2;f5/2,f7/2,并注意两峰的强度比 (3)与手册对照
7.2 光电子能谱仪实验技术
称为“静电效应 ”,也称为“荷电效应”。
7.2 光电子能谱仪实验技术
2. 校正方法 (1) 外标法(最常用) C 1s结合能:284.6 eV 若荷电效应在实验过程中不稳定,则实验前后各扫 一次C 1s谱,取平均值。
(2) 内标法
以相同环境化学基团中电子的结合能为内标; 决定相对化学位移,而不是绝对的结合能 (3)超薄法
器,分辨率高;
7.2 光电子能谱仪实验技术
分辨率
分辨率 =E / E k 100ຫໍສະໝຸດ Baidu%
E / E k (W / 2 r ) 2 / 2
---光电子能谱的半高宽即绝对分辨率 Ek---通过分析器电子的额动能 W---狭缝宽度
7.2 光电子能谱仪实验技术
筒镜式电子能量分析器 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;
电子的结合能与入射光子的能量越接近,越大。 越大说明该能级上的电子越容易被光激发,与同 原子其它壳层上的电子相比,它的光电子峰的强度 越大。
7.1 XPS的基本原理
(2)XPS信息深度
样品的探测深度通常用电子的逃逸深度度量。
电子逃逸深度(Ek):逸出电子非弹性散射的平 均自由程;
:金属0.5~3nm;氧化物2~4nm ;
7.2 光电子能谱仪实验技术
7.2.4 XPS的能量校正 1. 静电效应
在样品测试过程中,光电子不断从表面发射,造
成表面电子“亏空”,对金属样品,通过传导来补 偿。对绝缘体,会在表面带正电,导致光电子的动
能降低,结合能升高。严重时可偏离达10几个电子 伏特,一般情况下都偏高3~5个电子伏特。这种现象
7.2 光电子能谱仪实验技术
XPS采用能量为1000~1500ev 的射线源,能激发内 层电子。各种元素内层电子的结合能是有特征性 的,因此可以用来鉴别化学元素; UPS采用 16~41ev的真空光电子作激发源。 与X射 线相比能量较低,只能使原子的价电子电离,用 于研究价电子和能带结构的特征。 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。
7.1 XPS的基本原理
(2)规律 当元素的价态增加,电子受原子核的库伦作用增 加,结合能增加;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。
7.1 XPS的基本原理
与元素电负性的关系 三氟乙酸乙酯
电负性:F>O>C>H
4个碳元素所处化学环境
不同;
7.1 XPS的基本原理
X射线光电子能谱分析 X-ray Photoelectron Spectroscopy
表面分析技术 (Surface Analysis)是对材料外层(the Outer-Most Layers of Materials (<100nm))的研究的 Electrons are extracted 技术 only from a narrow solid
电子能谱( ESCA,全称为Electron
Spectroscopy for Chemical Analysis)
X射线物理
X射线起源于轫致辐射,可被认为是光电效应的逆过程,既: 电子损失动能 产生光子(X射线)
原子核
慢电子
快电子 EK2 EK1
光子
EK 1 EK 2 h
h
因为原子的质量至少是电子质量的 2000 倍,我们可以把反冲原 子的能量忽略不计。
7.1 XPS的基本原理
7.1 XPS的基本原理
光子的一部分能量用来克服轨道电子结合能( EB),
余下的能量便成为发射光电子(e - ) 所具有的动能 ( EK),这就是光电效应。用公式表示为: Ek = hν- 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。