案例解析X射线光电子能谱(XPS)八大应用!

合集下载

X射线光电子能谱(XPS)原理课件ppt

其结合能均为284.6 eV；而在C60材料中，其结合能为284.75 eV。由于C 1 峰的结合能变化很小，难以从C1s峰结合能来鉴别这些纳米碳材料。C60材料的震激峰的结构与石墨和碳纳米管
材料的有很大的区别
2021/3/10
20
例5：确定二氧化钛膜中+4价和+3价的比例。对不同价态的谱峰分别积分得到谱峰面积；
振激峰也是出现在其低能端，比主峰高几ev，并且一条光电子峰可能有几条振激伴线。（如右图所示）
强度I
振离峰
主峰振激峰
2021/3/10
动能Ek
15
XPS谱图的解释步骤：
• 在XPS谱图中首先鉴别出C、O的谱峰（通常比较明
显）。 • 鉴别各种伴线所引起的伴峰。 • 先确定最强或较强的光电子峰，再鉴定弱的谱线。 • 辨认p、d、f自旋双重线，核对所得结论。
查各价态的灵敏度因子，利用公式求各价态的比例。
2021/3/10
21
例6：化学结构分析依据：原子的化学环境与化学位移之间的关系；
羰基碳上电子云密度小， 1s电子结合能大（动能小）；峰强度比符合碳数比。
2021/3/10
22
谢谢观赏
2021/3/10
23
放映结束感谢各位的批评指导！
素的灵敏度具有相同的数量级。
• （2）相邻元素的同种能级的谱线相隔较远，相互干扰较少，元素定性的标识性强。
• （3）能够观测化学位移。化学位移同原子氧化态、原子电荷和官能团有关。化学位移信息是XPS用作结构分析和化学键研究的基础。
• （4）可作定量分析。既可测定元素的相对浓度，又可测定相同元素的不同氧化态的相对浓度。
2021/3/10

X射线光电子能谱的应用介绍

表 1 样品的 XPS 谱峰、峰位及面积谱峰 O 1s Fe 2p 结合能 / eV 530. 6 710. 7 面积 1 921 786
图 4 样品 Fe3O4 退卷积后的 Fe 2p XPS 图谱对谱峰进行退卷积一般有专门的软件, 尽管计算机程序会设置好一套最佳拟合参数 , 但是在实际操作中 , 应该根据探讨问题的需要选择合适的拟合参数 , 诸如 : 将宽峰退卷积成单峰的个数; ! 确定背景扣除的范围, 扣除方式 ( 线性扣除或 Shirley 式扣除 ) , 一般选用 Shirley 式扣除[ 7] ; ∀ Gaussian/ Lorentzian, 就是在拟合中高斯函数和洛沦兹函数的贡献比例 ; #不对称因子。
[ 6]
3
结束语
总之, 由于电子能谱中包含着样品有关表面电子结构的重要信息 , 可进行了表面元素的定性和定量分析 , 还可进行元素组成的选区和微区分析, 元素组成的表面分布分析, 原子和分子的价带结构分析, 在某些情况下还可对元素的化学状态、分子结构等进行研究 , 是一种用途广泛的现代分析实验技术和表面分析的有力工具 , 广泛应用固体物理学、基础化学、催化科学、腐蚀科学、材料科学、微电子技术及薄膜研究等科学研究和工程技术的诸多领域中。
∃
56 ∃
可以在谱图上很明显地分开, 如图 2 中单质硅和氧化硅的 Si 2p 峰结合能值, 相差 4 eV左右[ 4] 。但有时化学位移可能只有零点几个 eV, 这时不同化学态的峰就会相互重叠形成% 宽峰& 。这时要想准确定出各化学位移峰的位置 , 就必须把测得的宽峰还原成组成它的各个单峰。这种处理方法就称为谱峰的退卷积 , 或者解叠。退卷积有两种基本方法: 其一, 根据谱峰包络线的大致起伏特征, 给定单峰的个数、峰位、峰宽等参数后 , 由计算机经过迭代拟合出其它诸如单峰的强度、面积等参数。计算机拟合的结果是否可信 , 往往要结合所研究问题的基本物理利化学属性一起考虑。其二, 直接从与试验测得的宽峰相关的基本问题着手, 通过傅立叶变换剥离仪器分辨率对谱的贡献 , 还原出本征峰形。采用这种退卷积方法要求对所用谱仪的传输特性清楚了解。

XPS能谱在配位化学中的应用

XPS能谱在配位化学中的应用X射线光电子能谱(XPS)又称为化学分析用电子能谱法(ESCA)，是近年来发展最快的仪器分析技术之一。

应用XPS研究配合物能直接了解中心离子内层电子状态及与之相结合的配体的电子状态和配位情况，可获得有关电荷转移的信息，对于中心离子的电子结构、配位键的形成及其性质等的研究，其结果很具有说服力。

现在，XPS已成为研究配合物的有力工具。

一、XPS研究配合物的原理利用XPS已成为研究配合物的原理是这样的:具有足够能量的入射光子和样品中的原子相互作用时，单个光子把它的全部能量转移给原子中某壳层上一个受束缚的电子，如果能量足以克服原子其余部分对此电子的束缚作用，电子即以一定的动能发射出去。

利用检测器测量发射出的光电子动能，可以得到样品中原子的电子结合能。

分子内原子的电子结合能反映了它们所处的化学环境。

在配合物中，影响结合能大小的因素包括:?配合物的立体结构，?配合物的电负性。

?中心离子的氧化态，?配体电荷的转移。

在配合物的XPS研究中，振激(shake-up)伴峰反映了中心离子的电子结构及配体和金属离子的相互作用，多重裂分(Multi-plet splitting)反映了中心离子的内层电子状态，对于研究配合物的结构特性极为有用。

二、利用XPS研究配合物的实例2.1 N,配体配合物的研究。

XPS谱峰显示HEDTA和NaHEDA分子中两个N都质子化了。

两者的422N1s谱峰很相似，在约402.4eV处有一单峰。

而在配合物NaEDTA，MgEDTA，42CaEDTA中其N原子未质子化，在400.2eV处有一个单峰。

所以在RN:和23+RN:H两种构型中，N1s谱峰约有2.2eV的化学位移，对于配合物MgHEDTA322的XPS谱峰分析，在399.2众和402.2eV处有两个强峰。

由此可知该分子中一个N 原子质子化了，另—个N原子末质子化。

XPS可用来区分配体在界内(inner-sphere)或界外(Out-sphere)。

XPS的应用及举例解析

例如：三氟化乙酸乙脂中四个不同C原子的C1s谱线。
XPS XPS分析方法
六、XPS分析方法
同 AES 定性分析一样， XPS 分析也是利用已出版的 XPS 手册。
XPS XPS分析方法
6.1 定性分析
6.1.1 谱线的类型
在XPS中可以观察到几种类型的谱线。其中有些是XPS中所固有的，是永远可以观察到的；有些则依赖于样品的物理、化学性质。
的潜心研究而建立的一种分析方法。他们发现了内层电子结合能的位移现象，解决了电子能量分析等技术问题，测定了元素周期表中各元素轨道结合能，并成功地应用于许多实际的化学体系。
K.Siegbahn 给这种谱仪取名为化学分析电子能谱 (Electron Spectroscopy for Chemical Analysis)，简称为“ESCA”，这一称谓仍在分析领域内广泛使用。
元素化学状态的变化有时还将引起谱峰半峰高宽的变化。（如表所示）
XPS XPS分析方法
S的2p峰在不同化学状态下的结合能值
XPS XPS分析方法
Ti及TiO2中2p3/2峰的峰位及2p1/2和2p3/2之间的距离
XPS XPS分析方法
CF4
C6H6
CO
CH4
半峰高宽 (eV)
0.52
285.0 285.5 286.0 286.5 287.0 287.5 288.0 288.5 289.0 289.5 290.0
仪器材料的功函数Φ是一个定值，约为4eV，入射X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。的光子能量的测定，就可以了解样品中元素的组成。元素所处的化学环境不同，其结合能会有微小的差别，这种由化学环境不同引起的结合能的微小差别叫化学位移，由化学位移的大小可以确定元素所处的状态。例如某元素失去电子成为离子后，其结合能会增加，如果得到电子成为负离子，则结合能会降低。因此，利用化学位移值可以分析元素的化合价和存在形式。

X射线光电子能谱(XPS)基本原理及应用

Binding Energy(eV)
Au/Cr界面处元素的互扩散情况。互扩散很严重，渐变界面，界面层很厚。
8000000 7000000 6000000 5000000
Au4d
Au4p3/2
Cr2p
Intensity
4000000 3000000 2000000 1000000 0 300
350
400
85.1 4.68 10.22
BSCCO膜（超导材料）
2.元素化合价及化学态的确定
俄歇参数：俄歇电子动能与光电子动能差（加X射线能量）。
有机物分子
3.成像XPS（XPS image)
XPS可对元素及其化学态进行成像，绘出不同化学态的不同元素在表面的分布图像。
4.深度剖析（depth profile)
另一个经验公式：
三、XPS应用
XPS可以告诉我们: 材料中有什么元素（研究未知材料）这些元素处于什么化学态每种元素含量是多少在二维面内这些元素的分布或者价态分布如何，是否均匀（缺陷分析，表面处理技术）这些元素的分布随着三维的深度方向是怎么分布的（研究界面材料）
1.样品表面的元素组成
一个重要概念：费米能级
f(E)
E
EF表示费米能级，f(E)表示能级E上电子的占据几率。绝对零度下，电子占据的最高能级就是费米能级。
费米能级的物理意义是，该能级上的一个状态被电子占据的几率是1/2。
费米面
水面？
结合能Eb的测量
Eb= hv -Φ s- Ek
样品与仪器良好电接触，费米
Ek’ 真空能级 Φ样 hv Ek’’
界面间物质的互扩散
刻蚀5s/层 Te3d5/2
Cr2p3/2

xps原理及应用解析

XPS物理原理和应用
主要内容
什么是“X射线光电子能谱（XPS）”
XPS中涉及的物理学原理
XPS的特点及实验方法 XPS光谱图
1. 什么是“X射线光电子能谱”
1.1 XPS的定义
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，即化学分析电子能谱（ ESCA，全称为Electron Spectroscopy for Chemical Analysis）
A(中性分子或原子)+ hν(X-ray) A+*（激发态的离子）+e-(光电子)
X-ray
样品
电离放出光电子
能量分析器检测器
e-
（记录不同能量的电子数目）光电子产生过程：
hν(X-ray)
A+hν
(A+)*+e-(光电子)
A++ hν’(X荧光)
A2++e-(俄歇电子)
两者只能选择其一
Augerprozess
2p1/2
X射线
用能量分析器分析光电子的动能,得到的就是X射线光电子能谱。
2.3 XPS 的工作流程：
光源(X-ray)
过滤窗
真空系统 (1.33×10-5—1.33×10-8Pa)
样品室
能量分析器检测器
磁屏蔽系统(～1×10-8T)
扫描和记录系统
2.4 XPS 的工作原理：

XPS的应用及举例解析上课讲义

4d5/2 •••••• N5
4d3/2
••••
N4
4p3/2
••••
N3
4p1/2 •• N2
4s1/2 •• N1
XPS X射线光电子谱仪的能量校准
4.3 荷电效应
用XPS测定绝缘体或半导体时，由于光电子的连续发射而得不到足够的电子补充，使得样品表面出现电子“亏损”，这种现象称为“荷电效应”。
这种方法一方面需要在设备上配置电子中和枪，另一方面荷电效应的消除要靠使用者的经验。
XPS X射线光电子谱仪的能量校准
4.5 荷电效应的解决－内标法
在处理荷电效应的过程中，人们经常采用内标法。即在实验
条件下，根据试样表面吸附或沉积元素谱线的结合能，测出表面荷电
电势，然后确定其它元素的结合能。
在实际的工作中，一般选用(CH2)n中的C1s峰，(CH2)n一般来自样品的制备处理及机械泵油的污染。也有人将金镀到样品表面一部分，利用Au4f7/2谱线修正。
➢ 荷电效应的来源主要是样品的导电性能差。 ➢ 荷电电势的大小同样品的厚度、X射线源的工作参数
等因素有关。 ➢ 实际工作中必须采取有效的措施解决荷电效应所导致
的能量偏差。
XPS X射线光电子谱仪的能量校准
4.4 荷电效应的解决－中和法
➢ 制备超薄样品； ➢ 测试时用低能电子束中和试样表面的电荷，使Ec<0.1eV，
仪器材料的功函数Φ是一个定值，约为4eV，入射X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。各种原子，分子的轨道电子结合能是一定的。因此，通过对样品产生的光子能量的测定，就可以了解样品中元素的组成。元素所处的化学环境不同，其结合能会有微小的差别，这种由化学环境不同引起的结合能的微小差别叫化学位移，由化学位移的大小可以确定元素所处的状态。例如某元素失去电子成为离子后，其结合能会增加，如果得到电子成为负离子，则结合能会降低。因此，利用化学位移值可以分析元素的化合价和存在形式。

现代分析测试技术X射线光电子能谱

现代分析测试技术X射线光电子能谱XPS技术是通过使用X射线照射样品表面来激发材料表面的原子，然后测量所产生的光电子的能量分布来分析样品的表面化学成分和电子状态。

这些光电子的能量分布可以提供关于样品原子组成、化学键状态、表面吸附物等信息。

相比于传统的化学分析技术，XPS具有许多优点，如高灵敏度、无需样品处理、非破坏性等。

XPS技术在材料科学领域有着广泛的应用。

首先，它可以用于分析材料表面的元素组成。

通过测量不同元素的光电子峰的能量和强度，可以确定材料中的化学元素及其相对配比。

其次，XPS还可以用于研究材料的化学键状态。

通过分析化学键的能量分布，可以确定材料中的化学键类型和键长。

此外，XPS还可以用于研究材料表面的吸附物，如气体分子和溶液中的物质。

通过测量吸附物的能量分布，可以确定吸附物的种类、吸附位点和吸附强度。

除了在材料科学领域中的应用，XPS技术还广泛应用于表面化学、电子学、催化剂研究、生物医学等领域。

例如，在表面化学中，XPS可以用来研究表面反应、界面和吸附等现象。

在电子学中，XPS可以用来分析材料表面的电子状态和晶格结构，从而提高电子器件的性能。

在催化剂研究中，XPS可以用来研究催化剂表面上的活性位点和反应机理。

在生物医学中，XPS可以用来分析生物组织和生物界面中的化学成分和电子状态，从而为疾病诊断和治疗提供重要的信息。

总之，X射线光电子能谱（XPS）是一种强大的分析测试技术，可以用来表征材料表面的化学成分和电子状态。

它在材料科学、表面化学、电子学、催化剂研究、生物医学等领域中都有着广泛的应用。

通过使用XPS技术，我们可以深入了解材料的表面化学性质，为材料的设计和性能优化提供重要的参考和指导。

X射线光电子能谱在材料研究中的应用

X射线光电子能谱在材料研究中的应用1 引言在许多技术领域，如电子、光学、冶金、化工及医学等，材料研究占有不可缺少的重要地位。

在材料制备及使用的过程中，常有化学变化在材料的表面区域发生。

因此，材料科学与工程的许多领域都包含对材料的表面化学研究。

作为最常用的表面表征技术之一的XPS(X射线光电子能谱)，在材料研究中有着广泛的应用。

XPS测试能够提供对材料研究非常有用的丰富信息。

它可用来检测固体材料表面及体相(通过合适的取样方法)所存在的化学元素。

除了氢和氦，所有元素都可通过XPS来检测。

在大部分情况下，XPS所提供的定性分析结果是明确可靠的。

XPS还是一种很有用的半定量分析技术。

在材料研究中，由XPS测量所得的化学组成对建立组份一过程一性能的关系非常有价值。

通过对电子结合能及俄歇参数的分析，XPS实验可提供材料中元素的化学价态信息，这对于研究材料的化学性能及其变化是非常有效的。

正是由于XPS含有化学信息，它也通常被称为化学分析电子能谱( Electron Spectroscopy for Chemical Analysis,ESCA)。

近年来，由于仪器方面的不断发展，许多以前不容易得到的信息可以较容易地用新一代的光电子能谱仪来测量，所以XPS的用途也就越来越广了。

XPS能谱中的价带区信号一般很微弱(通常只有内层电子光电子信号强度的百分之一左右)，而且集中在较窄的能量范围内(0 - 30e)，用一般的X射线光源(非单色的)很难测量价带谱。

现在高档的商业化能谱仪一般都带有单色器，而且光电子信号的检测效率高，可以相当有效地记录价带谱。

很多材料都有特征的价带谱，其中包含有与材料结构有关的信息。

这些结构信息用内层电子的光电子能谱很难得到。

比如说，聚乙烯和聚丙烯的Cls图谱基本上没有差别，而它们的价带谱却有明显区别在内层光电子逸出固体时，常伴有能量损失，因而在光电子主峰的高结合能的一边可出现能量损失的信号。

然而，正象价带谱那样，能量损失谱的信号一般也很弱，因而常被忽略。

XPS

X射线光电子能谱(XPS)
主要内容

表面能谱技术简介及发展历史
XPS技术的定性及定量分析手段 XPS仪器介绍及催化应用实例实际数据处理介绍

Hale Waihona Puke 表面能谱技术简介及发展历史

1887年，海因里希· 鲁道夫· 赫兹发现了光电效应, 1894年去世。勒纳德系统研究了光电效应，1905年获得诺贝尔物理学奖（阴极射线）。
质无损伤，电子和离子则不然；表面灵敏 —— 分析除氢外所有元素，这些元素的光电子能量范围50-1400 eV；特别适合分析塑料和高分子聚合物；对半导体和催化剂工业也有显著的作用；有明确的化学位移 —— AES由于涉及三个能级解释复杂。
XPS技术的定性及定量分析手段
定性分析
b
0k时固体能带中充满电子的最高能级
hv E k E b
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。
实际测到的电子动能为：
E k E k (sp s )
'
hv E b sp
E b hv E k sp
'
仪器功函数
hv E k E b
功函数
特征：
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 He I(21.2eV) 或 He II(40.8eV) 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。光电子或俄歇电子，在逸出的路径上自由程很短，实际能探测的信息深度只有表面几个至十几个原子层，光电子能谱通常用来作为表面分析的方法。

X射线光电子能谱主要功能及应用实例

X射线光电子能谱主要功能及应用实例X射线光电子能谱（X-ray photoelectron spectroscopy，XPS）是一种常用于表面化学分析的技术。

它可以提供关于材料表面化学组成、价态、电子结构和电荷转移等信息。

以下是X射线光电子能谱的主要功能及应用实例。

1.表面化学分析：XPS可以确定材料的表面化学组成，包括原子种类、化学键和它们的相对丰度。

通过测量不同能量的光电子能谱，可以得到元素特征峰的强度和形状，从而定量分析材料表面上各种元素的相对含量。

应用实例：XPS广泛用于研究材料表面的符合物、生物界面、涂层和薄膜等。

例如，可以通过XPS分析材料的腐蚀表面层，以了解腐蚀过程中发生的化学变化。

另外，XPS也常被用来探测化学元素的清洁度，以确定材料的纯度。

2.化学价态分析：XPS可以测量材料中不同元素的化学价态。

通过分析元素的开壳层电子能级，可以确定元素的氧化态、配位数和电荷转移等信息，从而揭示材料的化学特性和反应活性。

应用实例：XPS可以用于研究催化剂表面的价态变化和催化反应机理。

例如，可以通过测量催化剂在不同反应条件下的XPS谱图，来研究催化剂表面的电子状态和活性位点，以及反应物在界面上的吸附和解离等过程。

3.能带结构测定：XPS可以提供材料的电子能带结构信息。

通过测量材料的价带和导带的能带边、费米能级、能带间距和带隙宽度等参数，可以了解材料的电子结构和导电性质。

应用实例：XPS可用于研究半导体、金属和氧化物等材料的能带结构和电子性质。

例如，可以通过测量半导体材料的价带和导带的能带边，来研究材料的能隙和输运性质，以及探索在光电子器件中的应用。

4.化学键分析：XPS可以测量材料中化学键的电子密度和价电子轨道的分布。

通过观察峰位和峰形的变化，可以推断出化学键的键长、键数和键的极性等信息。

应用实例：XPS可用于研究材料的化学键环境和键的特性。

例如，可以通过XPS测量材料中C1s能级的峰位和结构，来确定碳的化学键状态，从而分析碳材料的结构和官能团的存在。

X射线光电子能谱的原理及应用

X射线光电子能谱的原理及应用X射线光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS）是一种表面分析技术，用于研究材料表面的化学成分、化学状态和电荷状态。

它通过照射样品表面并测量由样品表面发射的光电子能谱，从而获得关于材料表面组成和电子结构的信息。

XPS的原理基于光电效应。

当X射线入射到样品表面时，电子会被X射线的光子打出材料表面。

这些光电子的能量与入射X射线的能量以及材料的原子种类和化学环境有关。

通过测量光电子的能谱，可以获得关于材料表面成分的信息。

光电子能谱的主要参数有能量分辨率、峰形、峰位置和峰宽等。

XPS广泛应用于材料科学、化学、表面物理和生物医学等领域。

其主要应用包括以下几个方面：1.表面组成分析：XPS可以确定材料表面的化学成分，并对不同元素的相对浓度进行定量分析。

它可以检测到几乎所有元素，从轻元素如氢、碳和氧，到重元素如金、铂和铯等。

2.化学状态分析：XPS可以确定材料表面元素的化学状态。

通过分析光电子能谱的峰形和峰位置，可以得到元素的氧化态、配位数、交互作用和表面化学修饰等信息。

3.表面电子结构研究：XPS可以提供关于材料表面电子能级的信息。

通过分析光电子能谱的截止能和费米能，可以得到材料表面的电子结构、能带结构以及禁带宽度等。

4.界面分析：XPS可以研究材料表面与其他材料接触或相交界面的化学反应。

它可以检测到界面的化学状态和元素扩散情况，有助于理解材料的粘结、复合和电子传输性质。

5.反应动力学研究：通过实时监测表面化学反应的XPS实验，可以研究反应速率、反应机理和反应活化能等动力学参数。

总之，X射线光电子能谱是一种非常强大的表面分析技术，可以提供关于材料表面成分、化学状态和电子结构的丰富信息。

它在材料科学、化学、表面物理和生物医学等领域有广泛的应用。

X射线光电子能谱的原理及应用XPS

X射线光电子能谱的原理及应用（XPS）（一）X光电子能谱分析的基本原理X光电子能谱分析的基本原理：一定能量的X光照射到样品表面，和待测物质发生作用，可以使待测物质原子中的电子脱离原子成为自由电子。

该过程可用下式表示:hn=Ek+Eb+Er 其中: hn：X光子的能量；Ek：光电子的能量；Eb：电子的结合能；Er：原子的反冲能量。

其中Er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Eb，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，式(103)又可表示为：hn=Ek+Eb+Φ （10.4）Eb= hn- Ek-Φ （10.5）仪器材料的功函数Φ是一个定值，约为4eV，入射X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。

各种原子，分子的轨道电子结合能是一定的。

因此，通过对样品产生的光子能量的测定，就可以了解样品中元素的组成。

元素所处的化学环境不同，其结合能会有微小的差别，这种由化学环境不同引起的结合能的微小差别叫化学位移，由化学位移的大小可以确定元素所处的状态。

例如某元素失去电子成为离子后，其结合能会增加，如果得到电子成为负离子，则结合能会降低。

因此，利用化学位移值可以分析元素的化合价和存在形式。

（二）电子能谱法的特点( 1 )可以分析除H 和He 以外的所有元素；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。

( 2 )从能量范围看，如果把红外光谱提供的信息称之为“分子指纹”，那么电子能谱提供的信息可称作“原子指纹”。

它提供有关化学键方面的信息，即直接测量价层电子及内层电子轨道能级。

而相邻元素的同种能级的谱线相隔较远，相互干扰少，元素定性的标识性强。

( 3 )是一种无损分析。

( 4 )是一种高灵敏超微量表面分析技术。

X射线光电子能谱分析技术在纺织化学与染整工程中的应用

X射线光电子能谱分析技术在纺织化学与染整工程中的应用周金丽3005摘要：X射线光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS）技术也被称为化学分析电子能谱（Electron Spectroscopy for Chemical Analysis）。

XPS是一种重要的表面分析手腕，能够分析固体样品表面的元素种类、化学组成等重要信息，在纺织化学与染整研究中有着普遍的应用。

本文要紧介绍XPS大体原理，并给出了XPS在染整研究工作中的应用例子。

关键词： XPS，ESCA，表面分析，染整1.大体原理X射线光电子能谱是一种基于光电效应的电子能谱，XPS是测量电子能量的谱学技术[1-3]。

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取得的一种能谱，是一种高灵敏度的微量表面分析技术，其样品分析深度约为 0~ 50Å[4]。

由于光电子要紧来自表面原子的内壳层携带有表面丰硕的物理和化学信息，故可进行表面分析，探测表面化学组成、确信各元素的化学状态。

XPS进展历程1895年德国物理学家伦琴发觉X射线；1905年爱因斯坦确立光电子能量公式，这二者的发觉为X射线光电子能谱的进一步进展奠定基础。

二十世纪五十年代，瑞典Uppsala大学K. Siegbahn及其同事发明了一种技术来研究原子中的电子结合能，其公式为Ekin =hν-EBV，其中EBV为相关于真空能级的结合能，ν为入射光的频率。

通过快要20年的潜心研究，Siegbahn等人成立起X射线光电子能谱的分析方式，并命名为化学分析电子能谱(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis)，简称为“ESCA”。

该分析方式的发觉成功解决了电子能量分析等技术问题，测定了元素周期表中各元素轨道结合能，并成功地应用于许多实际的化学体，K. Siegbahn因此获1981诺贝尔奖。

XPS应用实例

XPS应用实例由于电子能谱中包含着样品有关表面电子结构的重要信息，用它可直接研究表面及体相的元素组成、电子组态和分子结构。

电子能谱可进行表面元素的定性和定量分析、元素组成的选区和微区分析、元素组成的表面分布分析、原子和分子的价带结构分析，在某些情况下还可对元素的化学状态、分子结构等进行研究，是一种用途广泛的现代分析实验技术和表面分析的有力工具，广泛应用于科学研究和工程技术的诸多领域中。

下面分别举例说明XPS在材料表征和基础科学研究中的重要作用。

(1) 表面物种的表征和鉴定元素化学态分析是XPS的最主要的应用之一。

元素化学态分析的情况比较复杂，涉及到的信息比较多，有时尚需要对谱图做拟合处理。

化学位移信息对于官能团、分子化学环境和氧化态分析是非常有力的工具，XPS常被用来作氧化态的测定和价态分析以及研究成键形式和分子结构。

XPS光电子谱线的位移还可用来区别分子中非等效位置的原子。

氧缺陷在材料的催化过程中起到了非常重要的作用，但其表征通常比较困难。

一种常用的方法是采用XPS技术来检测样品中O 1s谱信号，通过XPS谱峰拟合处理手段来区分表面上各种不同的氧物种。

在CO2电催化还原材料[1]中，通过XPS谱峰拟合技术，将O 1s的XPS谱峰分解为两个组分，位于529.8 eV处的谱峰对应于晶格氧的信号，位于531.4 eV处的谱峰则被归属为邻近氧缺陷的氧原子的信号。

这样就可以通过XPS测试中的O 1s谱峰强度，来表征样品中氧缺陷的浓度，从而能够进一步研究氧缺陷与CO2还原反应活性之间的构效关系。

同样的，XPS谱峰拟合技术也可以应用于其他样品体系中，用于表征不同化学状态的表面物种。

在BiOBr材料[2]中，通过XPS谱峰拟合技术，在样品中明确分辨出处于不同化学环境中的氧物种，并且该物种在样品中的浓度可以通过XPS谱峰强度反映出来。

其中，位于530.3 eV处的谱峰归属为晶格氧的信号，位于531.9 eV处的谱峰归属为表面羟基的信号，位于531.2 eV处的谱峰归属为吸附在氧空位上的吸附氧物种信号。

XPS在催化剂研究中的应用

XPS在催化剂研究中的应用摘要 (1)Abstract (1)1引言 (2)2 XPS的基本原理 (2)3 XPS应用基础 (3)4 X射线光电子能谱在催化剂研究中的应用 (5)5 展望 (11)6结论 (11)参考文献 (12)致谢 ........................................................................................ 错误!未定义书签。

摘要X射线光电子能谱（XPS）是一种能够测定材料表面中元素的构成、实验式，以及其中所含元素化学态的表面化学分析技术。

它的灵敏性，非结构破坏性测试能力和可获得化学态信息的能力，使其成为表面分析的极有力工具。

本文简介XPS的原理并举出一些XPS在催化剂表征技术中的应用的实例。

关键词: XPS；催化剂；表面分析；AbstractX-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) is one of tile common techniques on surface analysis, which can determine the elements of the materials and also can give the information of the elements chemical states. Its sensitive,non-destructive testing capability and structural chemical state information available capacity,making it an extremely powerful tool for surface analysis. This article introduces the principle of XPS and analyses its application in catalyst characterization techniques.Keywords: XPS；catalyst；Surface analysis1引言X射线光电子能谱（XPS）也被称作化学分析用电子能谱（ESCA）。

X射线光电子能谱-avantage

费米能级所需要的能量。特定原子、特定轨道上的电子的结合能为定值。 Φ：仪器的功函数 Ek：电子刚逸出表面时具有的动能
电子结合能与以下因素有关：
元素类别、电子占据轨道、元素所处化学态
不同元素的结合能——“指纹图”
电子结合能化学位移
电子结合能位移：原子的一个内壳层电子的结合能受核内电荷和核
外电子分布的影响。任何引起这些电荷分布发生变化的因素都有可能使原子内壳层电子的结合能产生变化。
XPS谱图信息
谱峰、背底或伴峰谱峰：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。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峰，俄歇电子峰等。
Barium Oxide Monochromated XPS\Spot Size 500 µm
精细谱扫描
Sn3d Scan 2 Scans, 1 m 16.2 s, 400µm, CAE 20.0, 0.05 eV 4.00E +04 Counts / s (Residuals × 2) Sn3d5 SnO2 3.00E +04 2.00E +04 1 .00E +04 0.00E +00 500 498 496 494 492 490 488 486 484 482 Sn3d3 SnO2 Sn3d3 Sn metal Counts / s Sn3d5 Sn metal Cr2p Scan 4 Scans, 4 m 56.3 s, 400µm, CAE 20.0, 0.05 eV 2.20E +04 2.00E +04 1 .80E +04 1 .60E +04 1 .40E +04 1 .20E +04 600 590 580 570

XPS案例(仪器原理的角度)解析

表明铜红玻璃试样中铜为？价
窄谱分析—不刻蚀
（2）元素不同离子价态比例 ➢ 方法
对试样做XPS分析，得到窄区谱。若谱峰不规则，则对谱线进行拟合，得到不同价
态元素的谱线； ✓谱峰解叠
对不同价态的谱峰分别积分得到谱峰面积；查各价态的灵敏度因子，利用公式求各价态的比
例。
窄谱分析—不刻蚀
例子：确定二氧化钛膜中+4价和+3价的比例。
窄谱分析—不刻蚀
图6 聚丙烯酸甲酯的C1s和O1s的XPS谱图
窄谱分析—不刻蚀
例2：聚偏氯乙烯降解反应随时间的变化
图7 聚偏二氯乙烯的C1s、O1s和Cl2p的XPS谱图
（在大气紫外线照射时间t/min，a：t=0；b：t=5；c：t=15；d：t=60）
窄谱分析—刻蚀
深度分析
➢ 原理用离子枪打击材料的表面，这样可以不
八六三检测
X射线光电子能谱的应用
XPS 应用
全谱分析
不刻蚀
获取表面元素信息
窄谱分析
刻蚀清洁表面后的元素信息
不刻蚀
离子价态分析元素不同离子价态比例化学结构分析高分子结构分析
刻蚀
深度剖析
全谱分析——不刻蚀
获取表面元素信息
1. 表面元素全分析的目的了解样品表面的元素组成，考察谱线之间是否
存在相互干扰，并为获取窄谱（精细谱）提供能量设置范围的依据。
图5 二氧化钛涂层玻璃表面Ti2p的XPS谱图
窄谱分析—不刻蚀
（3）化学结构分析依据：原子的化学环境
与化学位移之间的关系；羰基碳上电子云密度小
， 1s电子结合能大（动能小）；峰强度比符合碳数比。
窄谱分析—不刻蚀
（4）高分子结构分析 ➢ 光降解作用方法：比较光照前后谱图是否有变化，变化的程度如何。例1 紫外光对聚丙烯酸甲酯的降解

XPS在工业生产中的应用实例-中国科学技术大学

X射线光电子能谱的物理学原理及其在表面分析中的应用
中国科学技术大学天文与应用物理系蔡俊
第2页
主要内容
什么是“X射线光电子能谱（XPS）”
XPS中涉及的物理学原理如何解读XPS XPS在现代科研工作中的地位及作用
第3页
1. 什么是“X射线光电子能谱”
第4页
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
X射线是由德国物理学家伦琴（Wilhelm Conrad Röntgen，l8451923）于1895年发现的，他由此获得了1901年首届诺贝尔物理学奖。
第6页
2. XPS中涉及的物理学原理
X射线物理
光电效应
能量分析
超高真空
系统集成
第7页
2.1 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
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。
h
第8页
2.1 X射线物理
X射线管
104 ~105 V
- +
上
图：X射线管示意图；
Anode 1
eFilament 2
Laborquelle
h Al Folie Anode 2
第 12 页
2.2 光电效应
Photoelektron (1s) LIII 2p3/2
LII
LI