X射线光电子能谱学PPT课件
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X-射线光电子能谱.ppt
电子结合能，电子就可从原子的各个能级发射出来。 但是，实际上物质在一定能量的光子作用下，从原 子中各个能级发射出的光电子数是不同的，也就是 说，原子中不同能级电子的光离子化几率不同。光 离子化几率可以用光电(效应)截面σ来表示 σ定义：某能级电子对入射光子有效能量转移面积
XPS－基本原理
光电截面是决定灵敏度的主要因素 影响因素：电子所在壳层的平均半径，
样品的制备
1. 样品的大小
• 在实验过程中样品必须通过传递杆，穿过超高真空隔离 阀，送进样品分析室。因此，样品的尺寸必须符合一定 的大小规范。
• 对于块体样品和薄膜样品，其长宽最好小于10 mm, 高 度小于5 mm。
• 对于体积较大的样品则必须通过适当方法制备成合适大 小的样品。
1
K
1s
13－33
2
L
2p
34－66
3
M
3d
67－71
4
N
4d
72－92
4
N
4f
XPS－基本原理
3.光电子逸出深度 自样品表面发射出的光电子，在穿过样品时，一部分
光电子会产生非弹性散射(即改变运动方向并有能量损 失的碰撞)。电子能谱所研究的信息深度取决于逸出电 子的非弹性散射平均自由程
电子逸出深度(平均自由程)是指电子在经受非弹性碰 撞前所经历的平均距离。
第八章X-射线光电子能谱
X-Ray Photoelectron Spectroscopy
表面:
一、表面分析概述
物质存在的一种形态，气态，液态，固态， 表面态
固体表面：
理想的---固体终端
实际的---体相性质开始变化，
5～20 nm数量级
表面特点：
XPS－基本原理
光电截面是决定灵敏度的主要因素 影响因素：电子所在壳层的平均半径，
样品的制备
1. 样品的大小
• 在实验过程中样品必须通过传递杆，穿过超高真空隔离 阀，送进样品分析室。因此，样品的尺寸必须符合一定 的大小规范。
• 对于块体样品和薄膜样品，其长宽最好小于10 mm, 高 度小于5 mm。
• 对于体积较大的样品则必须通过适当方法制备成合适大 小的样品。
1
K
1s
13－33
2
L
2p
34－66
3
M
3d
67－71
4
N
4d
72－92
4
N
4f
XPS－基本原理
3.光电子逸出深度 自样品表面发射出的光电子，在穿过样品时，一部分
光电子会产生非弹性散射(即改变运动方向并有能量损 失的碰撞)。电子能谱所研究的信息深度取决于逸出电 子的非弹性散射平均自由程
电子逸出深度(平均自由程)是指电子在经受非弹性碰 撞前所经历的平均距离。
第八章X-射线光电子能谱
X-Ray Photoelectron Spectroscopy
表面:
一、表面分析概述
物质存在的一种形态，气态，液态，固态， 表面态
固体表面：
理想的---固体终端
实际的---体相性质开始变化，
5～20 nm数量级
表面特点：
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
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
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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
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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
第九章X射线光电子能谱资料PPT课件
12
Mn+离子的3s轨道电离时的两种终态
13
MnF2的Mn3s电子的XPS谱
14
§ 4 化学位移
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
化合物聚对苯二 甲酸乙二酯中三 种完全不同的碳 原子和两种不同 氧原子1s谱峰的 化学位移
15
化学位移现象起因及规律
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。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。因此当被测原子的氧 化价态增加，或与电负性大的原子结合时， 都导致其XPS峰将向结合能的增加方向位移。
E
' k
sp
Ek
s
hv
E
' khv
E
' k
sp
仪器功函数
9
§2 自旋－轨道耦合
主量子数n ：每个电子的能量主要取决于主量子数n. 通常以K、L、M、N、O等 表示n=1、2、3、4、5等壳层。
轨道量子数l： 它决定电子云的几何形状，不同的l值将原子 内的电子壳层分成几个亚层，即能级。 l=1、2、3、……(n-1)。
5
➢ 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。
➢ 随着科学技术的发展，XPS也在不断地完善。 目前，已开发出的小面积X射线光电子能谱， 大大提高了XPS的空间分辨能力。
1
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Mn+离子的3s轨道电离时的两种终态
13
MnF2的Mn3s电子的XPS谱
14
§ 4 化学位移
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
化合物聚对苯二 甲酸乙二酯中三 种完全不同的碳 原子和两种不同 氧原子1s谱峰的 化学位移
15
化学位移现象起因及规律
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。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。因此当被测原子的氧 化价态增加，或与电负性大的原子结合时， 都导致其XPS峰将向结合能的增加方向位移。
E
' k
sp
Ek
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E
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E
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sp
仪器功函数
9
§2 自旋－轨道耦合
主量子数n ：每个电子的能量主要取决于主量子数n. 通常以K、L、M、N、O等 表示n=1、2、3、4、5等壳层。
轨道量子数l： 它决定电子云的几何形状，不同的l值将原子 内的电子壳层分成几个亚层，即能级。 l=1、2、3、……(n-1)。
5
➢ 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。
➢ 随着科学技术的发展，XPS也在不断地完善。 目前，已开发出的小面积X射线光电子能谱， 大大提高了XPS的空间分辨能力。
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【材料课件】第五章x射线光电子能谱
2被激发的电子能量可用下式表示：
KE = hv - BE - spec 式中
hv=入射光子（X射线或UV）能量
h=Planck constant ( 6.62 x 10-34 J s ),
v - frequency (Hz)
BE=电子键能或结合能、电离能（Electron Binding Energy）
2电子能量分析器-对应上述能量的分析器，只可能是表 面分析；
3高真空系统：超高真空腔室super-high vacuum chamber（ UHV避免光电子与气体分子碰撞的干扰。
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【材料课件】第五章x射线光电子能 谱
•XPS的仪器Instrumentation for XPS
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X-射线光电子能谱 XPS: X-ray Photoelectron Spectroscopy
俄歇能谱 AES: Auger Electron Spectroscopy
电子能量损失谱 EELS: Electron Energy Loss Spectroscopy
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【材料课件】第五章x射线光电子能 谱
n 1元素定性 n 2 定量分析 n 3 元素价态、结合态的研究。
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【材料课件】第五章x射线光电子能 谱
实例1： 木乃依所用的颜料分析
•Pb3O4
•Egyptian Mummy •2nd Century AD •World Heritage Museum •University of Illinois
•发射出的光电子Ejected Photoelectron
•Conduction Band •Valence Band
•Free •Electron •Level
KE = hv - BE - spec 式中
hv=入射光子（X射线或UV）能量
h=Planck constant ( 6.62 x 10-34 J s ),
v - frequency (Hz)
BE=电子键能或结合能、电离能（Electron Binding Energy）
2电子能量分析器-对应上述能量的分析器，只可能是表 面分析；
3高真空系统：超高真空腔室super-high vacuum chamber（ UHV避免光电子与气体分子碰撞的干扰。
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【材料课件】第五章x射线光电子能 谱
•XPS的仪器Instrumentation for XPS
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X-射线光电子能谱 XPS: X-ray Photoelectron Spectroscopy
俄歇能谱 AES: Auger Electron Spectroscopy
电子能量损失谱 EELS: Electron Energy Loss Spectroscopy
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【材料课件】第五章x射线光电子能 谱
n 1元素定性 n 2 定量分析 n 3 元素价态、结合态的研究。
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【材料课件】第五章x射线光电子能 谱
实例1： 木乃依所用的颜料分析
•Pb3O4
•Egyptian Mummy •2nd Century AD •World Heritage Museum •University of Illinois
•发射出的光电子Ejected Photoelectron
•Conduction Band •Valence Band
•Free •Electron •Level
最新第八章 X射线光电子能谱(XPS) 有机波谱分析课件ppt课件
➢ 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。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。因此当被测原子的氧化价态增加，或与电 负性大的原子结合时，都导致其XPS峰将向结合能的增加方向 位移。
三氟化乙酸乙脂中四个不同C原子的C1s谱线。
诊断标准
下列症状中三项： ①发热 ②咽峡炎 ③颈淋巴结肿大 ④肝脏肿大 ⑤脾脏肿大
X-ray penetration depth ~1mm. Electrons can be excited in this entire volume.
Electrons are extracted only from a narrow solid angle.
10 nm 1 mm2
X-ray excitation area ~1x1 cm2. Electrons are emitted from this entire area
– EB病毒感染可导致免疫功能紊乱，发生与免疫系统功能紊乱相 关的多种疾病如淋巴瘤、传染性单核细胞增多症及类风湿关节 炎等 。
流行病学
传染源：带病毒者及病人为本病的传染源。 传播途径：经口鼻密切接触为主要传播途径，也可经飞沫（次要）
及输血传播（偶可发生）。 易感人群：人群普遍易感。但儿童青少年更多见。病后可获得持
久免疫，第二次发病不常见。
病因学
EB病毒为本病的病原，电镜下EB病毒的形态 结构与疱疹病毒组的其他病毒相似，但抗原性 不同。EB病毒为DNA病毒。
发病机理
EBV B淋巴细胞受体
咽扁桃体B淋巴细胞和 口腔上皮细胞
复制
细胞破坏
B淋巴细胞血液 唾液腺（腮腺）
三氟化乙酸乙脂中四个不同C原子的C1s谱线。
诊断标准
下列症状中三项： ①发热 ②咽峡炎 ③颈淋巴结肿大 ④肝脏肿大 ⑤脾脏肿大
X-ray penetration depth ~1mm. Electrons can be excited in this entire volume.
Electrons are extracted only from a narrow solid angle.
10 nm 1 mm2
X-ray excitation area ~1x1 cm2. Electrons are emitted from this entire area
– EB病毒感染可导致免疫功能紊乱，发生与免疫系统功能紊乱相 关的多种疾病如淋巴瘤、传染性单核细胞增多症及类风湿关节 炎等 。
流行病学
传染源：带病毒者及病人为本病的传染源。 传播途径：经口鼻密切接触为主要传播途径，也可经飞沫（次要）
及输血传播（偶可发生）。 易感人群：人群普遍易感。但儿童青少年更多见。病后可获得持
久免疫，第二次发病不常见。
病因学
EB病毒为本病的病原，电镜下EB病毒的形态 结构与疱疹病毒组的其他病毒相似，但抗原性 不同。EB病毒为DNA病毒。
发病机理
EBV B淋巴细胞受体
咽扁桃体B淋巴细胞和 口腔上皮细胞
复制
细胞破坏
B淋巴细胞血液 唾液腺（腮腺）
《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射线光电子能谱分析ppt
在生物学领域，XPS技术可以用于研究生物分子的结 构、细胞表面的化学成分等。
02
x射线光电子能谱分析实验技术
样品的制备和处理技术
1 2
固体样品研磨
将固体样品研磨成粉末，以提高X射线的透射性 和激发效率。
液体样品处理
对于液体样品，需要进行蒸发、干燥等处理， 以便在实验过程中保持稳定的样品形态。
3
气体样品控制
THANK YOU.
细胞和组织成像
利用X射线光电子能谱分析可以研究细胞和组织的结构和功能 ，如细胞膜的通透性和细胞骨架的分布等。同时也可以测定 细胞内自由基的分布和数量，为抗氧化剂药物的设计提供依 据。
05
x射线光电子能谱分析的挑战和前景
实验技术的局限性
01
样品制备难度大
02
信号衰减问题
需要选择合适的样品制备方法，以减 少表面吸附物和污染物的干扰。
2023
x射线光电子能谱分析ppt
目录
• 引言 • x射线光电子能谱分析实验技术 • x射线光电子能谱分析在材料科学中的应用 • x射线光电子能谱分析在生物学中的应用 • x射线光电子能谱分析的挑战和前景 • 参考文献 • 结论
01
引言
x射线光电子能谱简介
x射线光电子能谱技术（XPS）是一种表面分析技术，用于测 量样品表面的元素组成和化学状态。
04
x射线光电子能谱分析在生物学中的 应用
在生物大分子结构研究中的应用
确定生物大分子中的元素组成
通过X射线光电子能谱分析，可以测定生物大分子中的元素组成，如蛋白质 、核酸和多糖等。
研究生物大分子结构
利用X射线光电子能谱分析可以研究生物大分子的结构，如蛋白质的三维构象 和核酸的二级结构等。
02
x射线光电子能谱分析实验技术
样品的制备和处理技术
1 2
固体样品研磨
将固体样品研磨成粉末，以提高X射线的透射性 和激发效率。
液体样品处理
对于液体样品，需要进行蒸发、干燥等处理， 以便在实验过程中保持稳定的样品形态。
3
气体样品控制
THANK YOU.
细胞和组织成像
利用X射线光电子能谱分析可以研究细胞和组织的结构和功能 ，如细胞膜的通透性和细胞骨架的分布等。同时也可以测定 细胞内自由基的分布和数量，为抗氧化剂药物的设计提供依 据。
05
x射线光电子能谱分析的挑战和前景
实验技术的局限性
01
样品制备难度大
02
信号衰减问题
需要选择合适的样品制备方法，以减 少表面吸附物和污染物的干扰。
2023
x射线光电子能谱分析ppt
目录
• 引言 • x射线光电子能谱分析实验技术 • x射线光电子能谱分析在材料科学中的应用 • x射线光电子能谱分析在生物学中的应用 • x射线光电子能谱分析的挑战和前景 • 参考文献 • 结论
01
引言
x射线光电子能谱简介
x射线光电子能谱技术（XPS）是一种表面分析技术，用于测 量样品表面的元素组成和化学状态。
04
x射线光电子能谱分析在生物学中的 应用
在生物大分子结构研究中的应用
确定生物大分子中的元素组成
通过X射线光电子能谱分析，可以测定生物大分子中的元素组成，如蛋白质 、核酸和多糖等。
研究生物大分子结构
利用X射线光电子能谱分析可以研究生物大分子的结构，如蛋白质的三维构象 和核酸的二级结构等。
x射线光电子能谱分析案例ppt课件
➢ 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。
.
21
8.2 光电子能谱仪实验技术
1．Ｘ射线激发源 2. 电子能量分析器
➢ 半球型电子能量分析器
➢ 筒镜式电子能量分析器
3. 检测器
4.真空系统
.
22
8.2 光电子能谱仪实验技术
1．Ｘ射线激发源XPS中最常用的X射线来自主要由灯丝、栅极和阳极 靶构成。
2
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
.
3
8.1 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。
成静电场； 灵敏度高、分辨率低；
.
28
8.2 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
.
29
8.2 光电子能谱仪实验技术
4.真空系统
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。
XPS谱图的背底随结.合能值的变化关系
34
8.2 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。
.
35
8.2 光电子能谱仪实验技术
.
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8.2 光电子能谱仪实验技术
1．Ｘ射线激发源 2. 电子能量分析器
➢ 半球型电子能量分析器
➢ 筒镜式电子能量分析器
3. 检测器
4.真空系统
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22
8.2 光电子能谱仪实验技术
1．Ｘ射线激发源XPS中最常用的X射线来自主要由灯丝、栅极和阳极 靶构成。
2
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
.
3
8.1 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。
成静电场； 灵敏度高、分辨率低；
.
28
8.2 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
.
29
8.2 光电子能谱仪实验技术
4.真空系统
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。
XPS谱图的背底随结.合能值的变化关系
34
8.2 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。
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35
8.2 光电子能谱仪实验技术
X射线光电子能谱分析ppt课件
多通道检测器是由多 个微型单通道电子倍 增器组合在一起而制 成的一种大面积检测 器，也称位敏检测器 （PSD）或多阵列检 测器。
26
真空系统
电子能谱仪的真空系统有两个基本功能。
1、使样品室和分析器 保持一定的真空度， 以便使样品发射出来 的电子的平均自由程 相对于谱仪的内部尺 寸足够大，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。
EY(Z+Δ)：Y电子电离所需的能量。
Φ-功函数
20
俄歇过程和俄歇电子能量
WXY 跃 迁 产 生 的 俄 歇 电子的动能可近似地 用经验公式估算，即
：EWXY EW (Z) EX (Z)
EY (Z )
原子序数
功
函
实验值在
1 2
和
3 之间
4
数
俄歇电子
WXY俄歇过程示意图
21
§7.5 电子能谱仪简介
36
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。
22
能量分析器
电子能量分析器其作用是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 即压力要低于10-3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。
23
半球形电子能量分 析器
半球形分析器示意图 24
ppt课件24半球形电子能量分析器半球形分析器示意图ppt课件25筒镜形电子能量分析器筒镜分析器示意图ppt课件26检测器检测器通常为单通道电子倍增器和多通道倍增器光电子或俄歇电子流a1010913倍增器1a104通道电子倍增器是一种采用连续倍增电极表面管状通道内壁涂一层高阻抗材料的薄膜静电器件
第七章 电子能谱
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X射线难以聚焦，单色化很 困难；
一般采用Rowland圆晶体 进行单色化（衍射方式）。
强度为原来的1%。 容易产生严重荷电效应；
20
21
22
能量分析器
电子能谱的核心部分，要求能精确测定能 量；
磁偏转式能量分析器（对环境磁场灵敏， 目前不采用）和静电型能量分析器；
分析器外部必须用u金属进行磁场屏蔽； 静电分析器具有四种形式。
X射线光电子能谱学
1
射线诱发的光电子能谱技术通常分为两类: 紫外光电子能谱(UPS )和X射线光电子能谱 (X-Ray Photoelectron Spectroscopy，简 称XPS )。
XPS最早是在原子物理实验室用来系统测 量各种元素原子的电子束缚能，70年代初超 高真空技术开始与XPS相结合。如今XPS已成 为材料表面分析的常规工具。由于XPS可用来 分析元素的化学状态，所以又称为化学分析用 的电子能谱(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis-ESCA)，这个名词强调 在X射线电子能谱中既有光电子峰也包含了俄 歇峰。
11
X射线的产生
1. X射线是特征射线， 不是连续波，能量 具有单色性；
2. X射线的能量与材料 有关；
3. X射线不是一根线， 具有一系列线；
4. XPS需要单色的， 一定能量的X射线
12
X射线源结构
1. 由灯丝，阳极靶及虑窗组 成
2. 一般采用双阳极靶
3. 常用Mg/Al双阳极靶
4. 加铝窗或Be窗，阻隔电子 进入分析室，也阻隔X射线 辐射损伤样品。
25
检测器
1. 光电子信号微弱；10－11A 2. 光电倍增管，多通道板，位置灵敏检测
器； 3. 光电倍增管：采用高阻抗，二次电子发
射材料，增益：109
26
离子束溅射
样品表面的清洁； 样品表面层的剥离； Ar离子，氧离子，铯离子，镓离子等 固定溅射和扫描溅射
27
溅射因素
作为深度分析的离子枪，一般采用0.5～5 KeV的Ar 离子源。扫描离子束的束斑直径一般在1～10mm范 围，溅射速率范围为0.1 ～50 nm/min。
离子束的溅射速率不仅与离子束的能量和束流密 度有关；还与溅射材料的性质有关。
离子束能量低，溅射速率慢，其它效应大；离子 束能量过高，注入效应大，样品损伤大，但溅射 速率可能降低；一般3-10KeV适合溅射。
3
4
2.逃逸深度与表面灵敏度
电子能谱仪之所以对表面特别灵敏是由于出射电 子在样品内的非弹性散射平均自由程弋很短。不论是 俄歇电子或者光电子，只有那些来自表面附近逃逸深 度以内的，没有经过散射而损失能量的电子才对确定 Eb的谱峰有所贡献对于XPS而言，有用的光电子能量 在100^-1200 eV范围，对应的λm=0. 5-2.0 nm. 实际的逃逸深度λ与电子在固体内的运动方向有关， 即
为了提高深度分辩率，一般应采用间断溅射的方式。 为了减少离子束的坑边效应，应增加离子束的直径。 为了降低离子束的择优溅射效应及基底效应，应提
高溅射速率和降低每次溅射的时间。 离子束的溅射还原作用可以改变元素的存在状态，
许多氧化物可以被还原成较低价态的氧化物，如Ti, Mo, Ta等
28
溅射因素：
10
真空系统的构成
机械泵：有油污染，噪音，10－3torr 吸附泵：干净，需要液氮，容量小， 10－3torr 油扩泵：价格低，油污染， 10－6－ 10－10torr 涡轮分子泵：体积小，半无油，抽速大，价高
噪音大， 10－8torr 溅射离子泵：高真空，无油，需要前级真空
无噪音，10－11torr 升华泵：抽速高，需要前级真空，消耗性
23
分析方式
对于XPS一般采用固定通能方式（FAT），delta E是恒定的；
当能量比较高时，其分辨能力下降；因此，采用 减速装置；
对于UPS实验，光电子能力低，不需要预减速处 理。
对于UPS和AES，为了提高仪器灵敏度，采用 FRR模式（delta E/E恒定），不需要预减速处 理。
24
2
基本原理
1.光电子的发射及其能量 当入射光子的能量hv (h一普朗克常数，v-光
波频率)明显超过原子的芯电子束缚能Eb时，可引 起光电子发射。光电子的动能为
此处Eb从费米能级EF算起，φsp是谱仪的功函数。由 于每种元素的电子结构是独特的，测定一个或多个光 电子的束缚能就可以判断元素的类型。
5
θ是出射方向与表面法线的夹角。可见，垂 直表面射出(θ=0)的电子来自最大的逃逸 深度，
而近似平行于表面射出的电子则纯粹来 自最外表面几个原子层。因此，XPS和 AES一样是对表面灵敏的分析技术，采取 改变探测角的方法更可以提高表面灵敏度。
6
基本装置
主要部件有X射线源、样品台、电子能 量分析器、电子探测及倍增器，以及将电 流转换成可读能谱的数据处理和显示的电 子学系统。除电子学系统之外，所有部件 都放在超高真空中。
7
XPS能谱仪的构成
进样室
主要： 真空系统； X射线源； 能量分析系统 电子控制系统 数据采集和处理系统
X 光枪
分析室
离子枪
真空系统
能量分析器 计算机系统
X射线光电子能谱仪结构框图
8
9
真空系统
为什么需要超高真空？ 电子的平均自由程；（10－5Torr，50m） 清洁表面（10－6torr，1s，原子单层） 场发射离子枪要求 XPS要求：10-8torr以上
5. 灯丝不面对阳极靶，避免 阳极的污染
13
14
不同射线源的能量和线宽
15
X射线源的选择 对于一些元素，其结合能较高，选择高能量靶，
可以提高信号强度； 对于一些元素，需要高的能量分辨率以及低结
合能端的信息，就可以采用低能靶； 对于研究XAES线，一般需要采用高能靶。 低能靶的能量分辨率高，对价带峰和低动能峰
有利；高能靶激发能量强，能量分别率差。
16
Mg/Al双阳极X射线源
能量范围适中（1253.7和1486.7eV） X射线的能量范围窄（0.7和0.85 eV） 能激发几乎所有的元素产生光电子； 靶材稳定，容易保存以及具有较高的寿
命
17
不同X射线源激发的XPS谱
18
19
X射线的单色化
X射线均具有很宽的自然宽 度，能量分辨率受到限制； 必须进行单色化；
一般采用Rowland圆晶体 进行单色化（衍射方式）。
强度为原来的1%。 容易产生严重荷电效应；
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能量分析器
电子能谱的核心部分，要求能精确测定能 量；
磁偏转式能量分析器（对环境磁场灵敏， 目前不采用）和静电型能量分析器；
分析器外部必须用u金属进行磁场屏蔽； 静电分析器具有四种形式。
X射线光电子能谱学
1
射线诱发的光电子能谱技术通常分为两类: 紫外光电子能谱(UPS )和X射线光电子能谱 (X-Ray Photoelectron Spectroscopy，简 称XPS )。
XPS最早是在原子物理实验室用来系统测 量各种元素原子的电子束缚能，70年代初超 高真空技术开始与XPS相结合。如今XPS已成 为材料表面分析的常规工具。由于XPS可用来 分析元素的化学状态，所以又称为化学分析用 的电子能谱(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis-ESCA)，这个名词强调 在X射线电子能谱中既有光电子峰也包含了俄 歇峰。
11
X射线的产生
1. X射线是特征射线， 不是连续波，能量 具有单色性；
2. X射线的能量与材料 有关；
3. X射线不是一根线， 具有一系列线；
4. XPS需要单色的， 一定能量的X射线
12
X射线源结构
1. 由灯丝，阳极靶及虑窗组 成
2. 一般采用双阳极靶
3. 常用Mg/Al双阳极靶
4. 加铝窗或Be窗，阻隔电子 进入分析室，也阻隔X射线 辐射损伤样品。
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检测器
1. 光电子信号微弱；10－11A 2. 光电倍增管，多通道板，位置灵敏检测
器； 3. 光电倍增管：采用高阻抗，二次电子发
射材料，增益：109
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离子束溅射
样品表面的清洁； 样品表面层的剥离； Ar离子，氧离子，铯离子，镓离子等 固定溅射和扫描溅射
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溅射因素
作为深度分析的离子枪，一般采用0.5～5 KeV的Ar 离子源。扫描离子束的束斑直径一般在1～10mm范 围，溅射速率范围为0.1 ～50 nm/min。
离子束的溅射速率不仅与离子束的能量和束流密 度有关；还与溅射材料的性质有关。
离子束能量低，溅射速率慢，其它效应大；离子 束能量过高，注入效应大，样品损伤大，但溅射 速率可能降低；一般3-10KeV适合溅射。
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2.逃逸深度与表面灵敏度
电子能谱仪之所以对表面特别灵敏是由于出射电 子在样品内的非弹性散射平均自由程弋很短。不论是 俄歇电子或者光电子，只有那些来自表面附近逃逸深 度以内的，没有经过散射而损失能量的电子才对确定 Eb的谱峰有所贡献对于XPS而言，有用的光电子能量 在100^-1200 eV范围，对应的λm=0. 5-2.0 nm. 实际的逃逸深度λ与电子在固体内的运动方向有关， 即
为了提高深度分辩率，一般应采用间断溅射的方式。 为了减少离子束的坑边效应，应增加离子束的直径。 为了降低离子束的择优溅射效应及基底效应，应提
高溅射速率和降低每次溅射的时间。 离子束的溅射还原作用可以改变元素的存在状态，
许多氧化物可以被还原成较低价态的氧化物，如Ti, Mo, Ta等
28
溅射因素：
10
真空系统的构成
机械泵：有油污染，噪音，10－3torr 吸附泵：干净，需要液氮，容量小， 10－3torr 油扩泵：价格低，油污染， 10－6－ 10－10torr 涡轮分子泵：体积小，半无油，抽速大，价高
噪音大， 10－8torr 溅射离子泵：高真空，无油，需要前级真空
无噪音，10－11torr 升华泵：抽速高，需要前级真空，消耗性
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分析方式
对于XPS一般采用固定通能方式（FAT），delta E是恒定的；
当能量比较高时，其分辨能力下降；因此，采用 减速装置；
对于UPS实验，光电子能力低，不需要预减速处 理。
对于UPS和AES，为了提高仪器灵敏度，采用 FRR模式（delta E/E恒定），不需要预减速处 理。
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基本原理
1.光电子的发射及其能量 当入射光子的能量hv (h一普朗克常数，v-光
波频率)明显超过原子的芯电子束缚能Eb时，可引 起光电子发射。光电子的动能为
此处Eb从费米能级EF算起，φsp是谱仪的功函数。由 于每种元素的电子结构是独特的，测定一个或多个光 电子的束缚能就可以判断元素的类型。
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θ是出射方向与表面法线的夹角。可见，垂 直表面射出(θ=0)的电子来自最大的逃逸 深度，
而近似平行于表面射出的电子则纯粹来 自最外表面几个原子层。因此，XPS和 AES一样是对表面灵敏的分析技术，采取 改变探测角的方法更可以提高表面灵敏度。
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基本装置
主要部件有X射线源、样品台、电子能 量分析器、电子探测及倍增器，以及将电 流转换成可读能谱的数据处理和显示的电 子学系统。除电子学系统之外，所有部件 都放在超高真空中。
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XPS能谱仪的构成
进样室
主要： 真空系统； X射线源； 能量分析系统 电子控制系统 数据采集和处理系统
X 光枪
分析室
离子枪
真空系统
能量分析器 计算机系统
X射线光电子能谱仪结构框图
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真空系统
为什么需要超高真空？ 电子的平均自由程；（10－5Torr，50m） 清洁表面（10－6torr，1s，原子单层） 场发射离子枪要求 XPS要求：10-8torr以上
5. 灯丝不面对阳极靶，避免 阳极的污染
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不同射线源的能量和线宽
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X射线源的选择 对于一些元素，其结合能较高，选择高能量靶，
可以提高信号强度； 对于一些元素，需要高的能量分辨率以及低结
合能端的信息，就可以采用低能靶； 对于研究XAES线，一般需要采用高能靶。 低能靶的能量分辨率高，对价带峰和低动能峰
有利；高能靶激发能量强，能量分别率差。
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Mg/Al双阳极X射线源
能量范围适中（1253.7和1486.7eV） X射线的能量范围窄（0.7和0.85 eV） 能激发几乎所有的元素产生光电子； 靶材稳定，容易保存以及具有较高的寿
命
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不同X射线源激发的XPS谱
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X射线的单色化
X射线均具有很宽的自然宽 度，能量分辨率受到限制； 必须进行单色化；