第七节电子能谱学优秀课件
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第07章 电子能谱法
7-1 基本原理
普通光谱法: 光—样品 光信息
电子能谱法: X-射线—样品 紫外光 电子束
电子信息ห้องสมุดไป่ตู้
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
谱带形状与轨道的键合性质
I：非键或弱键轨道电子电离
跃迁
II、III：成键或反键轨道电 子电离跃迁；
IV：非常强的成键或反键轨
道电子电离跃迁； V：振动谱叠加在离子的连 续谱上； VI：组合谱带；
紫外光电子能谱图
两种结构相似 有机硫化物紫外电 子能谱对比分析
7-4 俄歇电子能谱法
Auger Electron Spectroscopy
1.原理
M+* → M+ + h (荧光X射线) M+* → M+ + e 两个过程竞争； 双电离态； (Auger电子)
X射线
激发电子
三 (或两)个能级参与；
标记：K LI LII；L MI MII 等； H、He不能发射Auger电子；
Auger 电子
2. Auger电子能量
EKLI LII ( Z ) EK ( Z ) ELI ( Z ) ELII ( Z Δ ) Φ
(1)Auger电子动能与所在能级和仪器功函数有关； (2)二次激发，故与X射线的能量无关；
(3)双重电离，增加有效核电荷的补偿数 ( =1/2～1/3)； 通式：
Ewxy ( Z ) Ew ( Z ) Ex ( Z ) Ey ( Z Δ ) Φ
电子能谱课件
一、基本原理
• 1.化学位移 • 在实际测定中往往发现得到的结合能谱峰与 单个原子结合能谱峰有一点的偏差，从而表 现在谱线的位移上，称为结合能的位移。其 原因是是原子的一个内壳层电子的Eb。同时 受核内电荷与核外电荷分布的影响，当这些 电荷分布发生变化时，就会引起Eb的变化。 同种原子中处于不同的化学环境的电子引起 结合能的变化，在谱线上造成位移，称为化 学位移。
2.1 AES的基本原理
俄歇效应(Auger Effect)
俄歇过程是一三电子过程终态
俄歇过程示意图
原子双电离。与入射激发源的 独立性（不与光电发射竞争）。 俄歇电子动能与光电子动能类 似，所以有类似的表面灵敏性。 初始芯空穴可由X射线产生(可 观察到XPS中的俄歇峰)，也可 由电子束(最常用于AES),谱中 包含俄歇电子入射和非弹性散 射电子但无光电子峰。
•
X射线光电子能谱不仅能测定表面的组成元素，而 且还能给出各元素的化学状态信息。Kai Siegbahn由 于其在高分辨光电子能谱方面的杰出贡献荣获了1981 年的诺贝尔物理奖。 • 俄歇电子能谱：1923年法国科学家Pierre Auger发 现：当X射线或者高能电子打到物质上以后，能以一 种特殊的物理过程(俄歇过程)释放出二次电子——俄 歇电子，其能量只决定于原子中的相关电子能级，而 与激发源无关，因而它具有“指纹”特征，可用来鉴 定元素种类。六十年代末采用微分法和锁相放大器技 术将它发展成为一种实用的分析仪器。到了七十年代， 出现了扫描俄歇，性能不断改善。俄歇电子能谱以其 优异的空间分辨能力，成为微区分析的有力工具。主 要用于对金属、合金和半导体等材料表面进行分析。
俄歇电子能谱在材料科学研究中的分析作用
1.元素（及其化学状态）定性分析。 (1).表面检查和污染分析 用俄歇电子能谱很容易检测下列各种表面污染: (a)金属元素 (Li,Be,Na,Mg,Al,Si,K,Ca,Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu ,Zn,Ga, (b)吸附的吸收的或离子注入的元素 (B,C,N,O,F,P,S,Cl,Br,I,Ne,Ar,Kr,Xe, (c)氧化物膜氮化物膜碳化物膜硫化物膜硅化物膜卤化物 膜等表面无机 变质层 (d)不挥发性有机污染
电子能谱ppt
遥襟甫畅，逸兴遄飞。爽籁发而清风 生，纤 歌凝而 白云遏 。睢园 绿竹， 气凌彭 泽之樽 ；邺水 朱华， 光照临 川之笔 。四美 具，二 难并。 穷睇眄 于中天 ，极娱 游于暇 日。天 高地迥 ，觉宇 宙之无 穷；兴 尽悲来 ，识盈 虚之有 数。望 长安 于日下，目吴会于云间。地势极而南 溟深， 天柱高 而北辰 远。关 山难越 ，谁悲 失路之 人？萍 水相逢 ，尽是 他乡之 客。怀 帝阍而 不见， 奉宣室 以何年 ？
勃，三尺微命，一介书生。无路请缨 ，等终 军之弱 冠；有 怀投笔 ，慕宗 悫之长 风。舍 簪笏于 百龄， 奉晨昏 于万里 。非谢 家之宝 树，接 孟氏之 芳邻。 他日趋 庭，叨 陪鲤对 ；今兹 捧袂， 喜托龙 门。杨 意不逢 ，抚凌 云而自 惜；钟 期既 遇，奏流水以何惭？
呜乎！胜地不常，盛筵难再；兰亭已 矣，梓 泽丘墟 。临别 赠言， 幸承恩 于伟饯 ；登高 作赋， 是所望 于群公 。敢竭 鄙怀， 恭疏短 引；一 言均赋 ，四韵 俱成。 请洒潘 江，各 倾陆海 云尔： 滕王高阁临江渚，佩玉鸣鸾罢歌舞。 画栋朝飞南浦云，珠帘暮卷西山雨。 闲云潭影日悠悠，物换星移几度秋。 阁中帝子今何在？槛外长江空自流。
凝聚分子的谱带明显增 宽，并失去精细结构
气体分子有明显 的振动精细结构
横坐标为分子的电离能In 或
光电子动能 En hv In
苯在Ni(111)上的UPS谱
8.2.2 振动精细结构
对于同一电子能级，分子还可能有许多不同的 振动能级，因此实际测得的紫外光电子能谱图既 有结合能峰，又有振动精细结构。
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。
勃，三尺微命，一介书生。无路请缨 ，等终 军之弱 冠；有 怀投笔 ，慕宗 悫之长 风。舍 簪笏于 百龄， 奉晨昏 于万里 。非谢 家之宝 树，接 孟氏之 芳邻。 他日趋 庭，叨 陪鲤对 ；今兹 捧袂， 喜托龙 门。杨 意不逢 ，抚凌 云而自 惜；钟 期既 遇，奏流水以何惭？
呜乎！胜地不常，盛筵难再；兰亭已 矣，梓 泽丘墟 。临别 赠言， 幸承恩 于伟饯 ；登高 作赋， 是所望 于群公 。敢竭 鄙怀， 恭疏短 引；一 言均赋 ，四韵 俱成。 请洒潘 江，各 倾陆海 云尔： 滕王高阁临江渚，佩玉鸣鸾罢歌舞。 画栋朝飞南浦云，珠帘暮卷西山雨。 闲云潭影日悠悠，物换星移几度秋。 阁中帝子今何在？槛外长江空自流。
凝聚分子的谱带明显增 宽，并失去精细结构
气体分子有明显 的振动精细结构
横坐标为分子的电离能In 或
光电子动能 En hv In
苯在Ni(111)上的UPS谱
8.2.2 振动精细结构
对于同一电子能级，分子还可能有许多不同的 振动能级，因此实际测得的紫外光电子能谱图既 有结合能峰，又有振动精细结构。
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。
《电子能谱分析法》课件
特点
高分辨率、高灵敏度、高精度和高可 靠性，能够提供物质内部结构和化学 键合状态的详细信息。
工作原理
电子能谱仪通过发射高能电子束轰击 样品，使样品中的原子或分子的内层 电子被激发，产生特征能量损失或能 量沉积。
通过测量这些能量损失或能量沉积的 分布，可以推断出样品中元素的种类 、含量和化学状态等信息。
特征提取与模式识别
通过改进算法和计算机技术，实现更快速、准确地进行特 征提取和模式识别，为后续的数据分析和解释提供有力支 持。
多维数据分析
引入多维数据分析方法，将不同来源、不同类型的电子能 谱数据整合起来，进行综合分析和比较，提高分析结果的 全面性和可靠性。
新技术的应用与拓展
01 02
人工智能与机器学习
稳定性与可靠性
仪器在工作过程中需要保持稳定性和可靠性，减少误差和干扰，提 高分析结果的准确性和可靠性。
自动化与智能化
为了提高工作效率和降低人为误差，需要加强仪器的自动化和智能化 程度，实现快速、准确地获取和分析数据。
数据分析方法改进
算法优化
针对不同类型的电子能谱数据，需要不断优化算法以提高 数据处理速度和准确度。
利用人工智能和机器学习技术对电子能谱数据进行深度学习和挖掘，发 现隐藏在数据中的规律和知识，为科学研究和实际应用提供新的思路和 方法。
联用技术
将电子能谱分析与其它分析技术联用，如色谱、质谱等，实现多维、多 角度地获取样品信息，提高分析结果的全面性和准确性。
03
跨学科融合
加强与其他学科的交叉融合，如化学、生物学、医学等，拓展电子能谱
2023
REPORTING
《电子能谱分析法》 ppt课件
2023
目录
• 电子能谱分析法概述 • 电子能谱分析法的基本原理 • 电子能谱分析法的实验技术 • 电子能谱分析法的应用实例 • 电子能谱分析法的挑战与展望
高分辨率、高灵敏度、高精度和高可 靠性，能够提供物质内部结构和化学 键合状态的详细信息。
工作原理
电子能谱仪通过发射高能电子束轰击 样品，使样品中的原子或分子的内层 电子被激发，产生特征能量损失或能 量沉积。
通过测量这些能量损失或能量沉积的 分布，可以推断出样品中元素的种类 、含量和化学状态等信息。
特征提取与模式识别
通过改进算法和计算机技术，实现更快速、准确地进行特 征提取和模式识别，为后续的数据分析和解释提供有力支 持。
多维数据分析
引入多维数据分析方法，将不同来源、不同类型的电子能 谱数据整合起来，进行综合分析和比较，提高分析结果的 全面性和可靠性。
新技术的应用与拓展
01 02
人工智能与机器学习
稳定性与可靠性
仪器在工作过程中需要保持稳定性和可靠性，减少误差和干扰，提 高分析结果的准确性和可靠性。
自动化与智能化
为了提高工作效率和降低人为误差，需要加强仪器的自动化和智能化 程度，实现快速、准确地获取和分析数据。
数据分析方法改进
算法优化
针对不同类型的电子能谱数据，需要不断优化算法以提高 数据处理速度和准确度。
利用人工智能和机器学习技术对电子能谱数据进行深度学习和挖掘，发 现隐藏在数据中的规律和知识，为科学研究和实际应用提供新的思路和 方法。
联用技术
将电子能谱分析与其它分析技术联用，如色谱、质谱等，实现多维、多 角度地获取样品信息，提高分析结果的全面性和准确性。
03
跨学科融合
加强与其他学科的交叉融合，如化学、生物学、医学等，拓展电子能谱
2023
REPORTING
《电子能谱分析法》 ppt课件
2023
目录
• 电子能谱分析法概述 • 电子能谱分析法的基本原理 • 电子能谱分析法的实验技术 • 电子能谱分析法的应用实例 • 电子能谱分析法的挑战与展望
电子能谱课件
600 500 400 300 200 100 0 Binding Energy [eV]
Al 2s Al 2p
计数 / 任意单位
PZT薄膜中碳的化学价态谱
有机碳 285.0 eV 60 min 40 min 20 min
Surface
288 286 284 282 结合能 / eV
金属碳化物 280.8 eV
2.3
4.6
Mg → MgO 0.4 6.4
Ag →Ag2SO4 0.2 4.0
In →In2O3 0.5 3.6
XPS的定性分析
不同元素、不同价态的电子结合能有其固定值， 根据所测得的谱峰（主峰）位置，对照《X射线光电 子能谱手册》，可确定试样表面含有哪些元素，以及 这些元素存在于什么化合物中（元素的化学状态）。
不同氧化态（价态） W的4f电子有不同 的结合能， W氧化 为氧化钨后，W的 4f结合能变大。
俄歇线也有化学位移，而且与光电子线的位移方向 一致。有时候光电子线位移不明显时，可以利用俄歇线 位移，分析元素的化学状态。
状态变化
光电子位移/eV 俄歇线位移/eV
Cu→Cu2O Zn → ZnO
0.1
0.8
Ni 2p Cr 2p metal
40
O 1s
20
Si 2p
0
0
Sputter Depth (nm)
185
Kratos AXis Ultra （DLD）
多功能光电子能谱仪（测试中心） 性能指标：能量分辨率：0.48eV，成像空间分辨率：
3微米，最小分析区域：15微米 主要附件：AES、SEM、SAM、UPS、ISS
谱峰（主峰）：即光电子线，反映不同 轨道上电子的结合能或电子动能；
Al 2s Al 2p
计数 / 任意单位
PZT薄膜中碳的化学价态谱
有机碳 285.0 eV 60 min 40 min 20 min
Surface
288 286 284 282 结合能 / eV
金属碳化物 280.8 eV
2.3
4.6
Mg → MgO 0.4 6.4
Ag →Ag2SO4 0.2 4.0
In →In2O3 0.5 3.6
XPS的定性分析
不同元素、不同价态的电子结合能有其固定值， 根据所测得的谱峰（主峰）位置，对照《X射线光电 子能谱手册》，可确定试样表面含有哪些元素，以及 这些元素存在于什么化合物中（元素的化学状态）。
不同氧化态（价态） W的4f电子有不同 的结合能， W氧化 为氧化钨后，W的 4f结合能变大。
俄歇线也有化学位移，而且与光电子线的位移方向 一致。有时候光电子线位移不明显时，可以利用俄歇线 位移，分析元素的化学状态。
状态变化
光电子位移/eV 俄歇线位移/eV
Cu→Cu2O Zn → ZnO
0.1
0.8
Ni 2p Cr 2p metal
40
O 1s
20
Si 2p
0
0
Sputter Depth (nm)
185
Kratos AXis Ultra （DLD）
多功能光电子能谱仪（测试中心） 性能指标：能量分辨率：0.48eV，成像空间分辨率：
3微米，最小分析区域：15微米 主要附件：AES、SEM、SAM、UPS、ISS
谱峰（主峰）：即光电子线，反映不同 轨道上电子的结合能或电子动能；
第7章 电子能谱
第七章 电子能谱
●量子化学得到光电离截面nl与占据该 壳层的电子的量子数n和l的关系：
①当n一定时，随着l的增大， nl也增大
▴同一壳层的电子被激发后产生的光电子， f轨道电子的峰强度﹥ d轨道的峰强度﹥ p轨道的峰强度﹥ s轨道的峰强度
第七章 电子能谱
②当 l一定时，随着n的增大， nl反而减小。
由于外壳层电子所感受到的有效电荷增加而引起的弛豫过程会使价电子重排其中一个可能就是因内层电子发射后引起原子内部能量的增加使一个价电子从原来占据的轨道向能量较高的尚未被占据的轨道跃迁从而使发射出的光电子因能量损失而降低
第七章 电子能谱 Electron Spectroscopy （ES）
§7-1 概 论
第七章 电子能谱
Er= （ M-m ）υa*2
式中：M、m - 分别代表原子和电子的质量;
第七章 电子能谱
§7-2 光电子能谱基础
● 光电子能谱的基本原理就是光电离作用 / 光 致发射/光电效应，分析依据是能量色散。 一、X射线光电子的能量 ●能量为 h的X射线光子与样品中的原子作用， 光子能量全部转移给原子中某壳层上的电子， 使其脱离核束缚，发射出一定动能的自由电 子，即X光电子。
以X射线作为激发光源，引起内层电子发射 产生的电子能谱(光电子能量50～1KeV) 。
第七章 电子能谱
★ UV-光电子能谱（Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy,简称UPS） 以UV光作为激发光源，引起外层价电子 发射产生的电子能谱（光电子能量6～ 50eV）。
★X-射线照射物质后产生的是新的X-射线 光量子，如X-荧光、X-射线的散射及衍 射。发射的仍旧是光量子。它仍旧属于 光学分析范畴。
催化剂表征第七讲 电子能谱XPS
280
ESCA survey spectra provide quantitative elemental information.
High resolution ESCA spectra provide quantitative chemical state information. 18
固体表面物理化学国家重点实验室（ 厦门大学）
引 言 电子能谱学概论
电子能谱学的研究内容（1）
• 电子能谱学的内容非常广泛，凡是涉及到利用电子，离子能量进 行分析的技术，均可归属为电子能谱学的范围。 • 根据激发离子以及出射离子的性质，可以分为以下几种技术。 • 紫外光电子能谱（Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy， UPS），X射线光电子能谱（X－ray Photoelectron Spectroscopy，XPS）,俄歇电子能谱（Auger Electron Spectroscopy, AES），离子散射谱（Ion Scattering Spectroscopy，ISS），电子能量损失谱（Electron Energy Loss Spectroscopy，EELS）等。
第七讲电子能谱学
X射线光电子能谱
固体表面物理化学国家重点实验室（ 厦门大学）
Gerhard Ertl获2007年诺贝尔化学奖
• 2007年诺贝尔化学奖表彰的是表面化学的突破性研究。这个领域对化工产 业影响巨大，物质接触表面发生的化学反应对工业生产运作至关重要。同 时，表面化学研究有助于我们理解各种不同的过程，比如为何铁会生锈， 燃料电池如何发挥作用以及我们汽车中加入的催化剂如何工作。表面化学 研究甚至可以解释臭氧层的破坏。此外，半导体产业的发展与表面化学研 究也是息息相关。 • 得利于半导体行业的发展，表面化学从20世纪60年代开始发展起来。 Gerhard Ertl是最初觉察到这种新技术潜力的科学家之一。通过逐步的实 验研究，他为表面化学开创了一种新的研究方法，即怎样用不同的实验步 骤来描绘出一个完整的表面反应画面。这种方法需要高真空的实验装备， 目的是用来观测单层原子和分子在金属等材料极纯表面上发生的行为。只 有这样，才能测定到底哪种元素能够进入系统，而污染会损害所有的测量。 正因如此，成功实验这一方法需要高度的精确性，以及将许多不同的实验 技巧结合起来的能力。 • 尤其值得一提的是，Gerhard Ertl开发的人造肥料制造方法不仅仅基于他 对哈伯－博施法（Haber-Bosch process，用氢和从空气中提取的氮来直 接合成人造肥料中包含的氨）的研究，他同时利用铁的表面作为催化剂。 这一成果带来了难以估量的经济效益，因为通常作物对氮的利用率十分有 限。此外，Ertl还研究了一氧化碳在铂表面催化下的氧化反应，现在汽车 中利用催化剂实现一氧化碳的清洁排放正是基于该项研究的成果。
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• 此外，由于由样品表面发射的电子或离子的信号非常微弱， 一般在10－11A的量级，因此，没有前置放大技术，根本不 可能获得谱图。此外，分析器的能量分辨率，直接关系到 电子能谱的应用，必须具有足够的分辨率，才能在表面分 析上应用。微电子技术是电子能谱学发展的技术基础
• 计算机技术的发展，大大促进了电子能谱学的深层次的发 展，如界面化学结构信息等。
• 40-50年代发现用X射线照射固体材料并测量由此引起的电 子动能的分布，但当时可达到的分辩率还不足以观测到光电 子能谱上的光电峰。
第七节电子能谱学
前言
• 电子能谱学的范畴； • 电子能谱学（Electron Energy
Spectroscopy）的定义；
• 与其他学科的关系，是最近三十年发展起 来的一门综合性学科。
• 电子能谱学与原子，分子和固体的关系； 它是研究原子，分子和固体材料的有力工 具。
电子能谱学的定义
• 电子能谱学可以定义为利用具有一定能量的粒子 （光子，电子，离子，中性粒子）轰击特定的样 品，研究从样品中释放出来的电子或离子的能量 分布和空间分布，从而了解样品的物理化学基本 特征的方法。
• 紫外光电子能谱（UPS） • 俄歇电子能谱（AES） • 离子散射谱（ISS) • 电子能量损失谱（EELS)
电子能谱学
X射线光电子能谱基本原理
光电子能谱发展历史
• 光电效应的发现 • Einstein关系式 • 光电子能谱的建立 • 光电子能谱的应用 • 光电子能谱的发展趋势
发展历史
• 1905 Einstein建立光电理论解释了碱金属经光线辐照产生光 电流的光电效应；hv=Ik+Ek
• 入射粒子与样品中的原子发生相互作用，经历各 种能量转递的物理效应，最后释放出的电子和粒 子具有样品中原子的特征信息。
• 通过对这些信息的解析，可以获得样品中原子的 各种信息如元素的含量，物质的电子结构，元素 化学价态等。
电子能谱学的物理基础
• 电子能谱学的发展基础是物理学，是物理的概念 和技术为其它学科所用。电子能谱学的基本原理 均来源于物理学的重大发现和重要的物理效应。
• 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。
• 这些技术使得电子能谱学在材料科学，物理学，化 学，半导体以及环境等方面具有广泛的应用。
电子能谱学的发展基础（2）
• 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。没有超高真空 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，没有超高真 空技术，获得稳定的清洁表面是非常困难的。一个清洁表 面暴露在1.33×10－4Pa的真空中1秒，就可以在样品表面 吸附一个原子层。没有超高真空，就没有清洁表面，也就 不能发展电子能谱技术。
• 电子能谱学的特点是其表面性以及价态关系，这决 定了电子能谱在表面分析中的地位。
• 表2是不同表面分析技术的特点，从中可以认识到， 电子能谱在表面分析中所占据的决定地位。
电子能谱学与表面分析的关系
电子能谱学与表面分析的关系
电子能谱学的应用
• 电子能谱学的应用主要在表面分析和价态分析方面。 可以给出表面的化学组成，原子排列，电子状态等 信息。
• 各种类型的电子能谱以及产生机理图可见表一和图1。
电子能谱学的研究内容（2）
电子能谱学与表面分析的关系
• 电子能谱学与表面分析有着不可分割的关系。电子 能谱学中的主要技术均具有非常灵敏的表面性，是 表面分析的主要工具。
• 而表面分析在微电子器件，催化剂，材料保护，表 面改性以及功能薄膜材料等方面具有重要的应用价 值。这些领域的发展促进了表面分析技术的发展， 同样也就促进了电子能谱学的发展。
• 如：光电子能谱的建立的基础是Einstein的光电效 应，俄歇电子能谱的基础是俄歇电子的发现。
• 物理学是电子能谱学的发展基础，但电子能谱学 的应用不仅仅局限于物理学，在化学，材料以及 电子等学科方面具有重要的应用前景。
电子能谱学与其它学科的关系
• 现代电子能谱学已经发展为一门独立的， 完整的学科。
电子能谱学的研究内容（1）
• 电子能谱学的内容非常广泛，凡是涉及到利用电子，离子 能量进行分析的技术，均可归属为电子能谱学的范围。
• 根据激发粒子以及出射粒子的性质，可以分为以下几种技 术。紫外光电子能谱（Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy，UPS），X射线光电子能谱（X－ray Photoelectron Spectroscopy，XPS）,俄歇电子能谱 （Auger Electron Spectroscopy, AES），离子散射谱 （Ion Scattering Spectroscopy，ISS），电子能量损失谱 （Electron Energy Loss Spectroscopy，EELS）等。
电子能谱的发展趋势
• 电子能谱的总体发展趋势是向高空间分辨， 高能量分辨，图像分析方面发展。
• 目前，最先进的XPS其空间分辨率可达到 10微米，最先进的俄歇电子能谱其空间分 辨率可达到6nm。
• 此外，随着纳米技术与薄膜技术的发展， 对其深度分辨能率也越来越高。
本课程的主要内容
• X射线光电子能谱（XPS） 基本原理 仪器装置 实验技术与分析方法 在典型领域的研究应用
• 但电子能谱学也同样是与多种学科交叉和 融合的。
• 总的来说，电子能谱学融合了物理学，电 子学，计算机以及化学等学科。它是这些 学科发展的交叉点，涉及到固体物理，真 空电子学，物理化学，计算机数据等领域。
电子能谱学的发展基础（1）
• 电子能谱学发展的最重要的基础是物理学。物理学理论和 效应的发展和建立是电子能谱学的理论基础。如爱因斯坦 的光电效应理论，实际上就是光电子能谱的最基本的理论。 在该理论中指明了光电子能量与发射电子能量的关系。
• 计算机技术的发展，大大促进了电子能谱学的深层次的发 展，如界面化学结构信息等。
• 40-50年代发现用X射线照射固体材料并测量由此引起的电 子动能的分布，但当时可达到的分辩率还不足以观测到光电 子能谱上的光电峰。
第七节电子能谱学
前言
• 电子能谱学的范畴； • 电子能谱学（Electron Energy
Spectroscopy）的定义；
• 与其他学科的关系，是最近三十年发展起 来的一门综合性学科。
• 电子能谱学与原子，分子和固体的关系； 它是研究原子，分子和固体材料的有力工 具。
电子能谱学的定义
• 电子能谱学可以定义为利用具有一定能量的粒子 （光子，电子，离子，中性粒子）轰击特定的样 品，研究从样品中释放出来的电子或离子的能量 分布和空间分布，从而了解样品的物理化学基本 特征的方法。
• 紫外光电子能谱（UPS） • 俄歇电子能谱（AES） • 离子散射谱（ISS) • 电子能量损失谱（EELS)
电子能谱学
X射线光电子能谱基本原理
光电子能谱发展历史
• 光电效应的发现 • Einstein关系式 • 光电子能谱的建立 • 光电子能谱的应用 • 光电子能谱的发展趋势
发展历史
• 1905 Einstein建立光电理论解释了碱金属经光线辐照产生光 电流的光电效应；hv=Ik+Ek
• 入射粒子与样品中的原子发生相互作用，经历各 种能量转递的物理效应，最后释放出的电子和粒 子具有样品中原子的特征信息。
• 通过对这些信息的解析，可以获得样品中原子的 各种信息如元素的含量，物质的电子结构，元素 化学价态等。
电子能谱学的物理基础
• 电子能谱学的发展基础是物理学，是物理的概念 和技术为其它学科所用。电子能谱学的基本原理 均来源于物理学的重大发现和重要的物理效应。
• 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。
• 这些技术使得电子能谱学在材料科学，物理学，化 学，半导体以及环境等方面具有广泛的应用。
电子能谱学的发展基础（2）
• 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。没有超高真空 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，没有超高真 空技术，获得稳定的清洁表面是非常困难的。一个清洁表 面暴露在1.33×10－4Pa的真空中1秒，就可以在样品表面 吸附一个原子层。没有超高真空，就没有清洁表面，也就 不能发展电子能谱技术。
• 电子能谱学的特点是其表面性以及价态关系，这决 定了电子能谱在表面分析中的地位。
• 表2是不同表面分析技术的特点，从中可以认识到， 电子能谱在表面分析中所占据的决定地位。
电子能谱学与表面分析的关系
电子能谱学与表面分析的关系
电子能谱学的应用
• 电子能谱学的应用主要在表面分析和价态分析方面。 可以给出表面的化学组成，原子排列，电子状态等 信息。
• 各种类型的电子能谱以及产生机理图可见表一和图1。
电子能谱学的研究内容（2）
电子能谱学与表面分析的关系
• 电子能谱学与表面分析有着不可分割的关系。电子 能谱学中的主要技术均具有非常灵敏的表面性，是 表面分析的主要工具。
• 而表面分析在微电子器件，催化剂，材料保护，表 面改性以及功能薄膜材料等方面具有重要的应用价 值。这些领域的发展促进了表面分析技术的发展， 同样也就促进了电子能谱学的发展。
• 如：光电子能谱的建立的基础是Einstein的光电效 应，俄歇电子能谱的基础是俄歇电子的发现。
• 物理学是电子能谱学的发展基础，但电子能谱学 的应用不仅仅局限于物理学，在化学，材料以及 电子等学科方面具有重要的应用前景。
电子能谱学与其它学科的关系
• 现代电子能谱学已经发展为一门独立的， 完整的学科。
电子能谱学的研究内容（1）
• 电子能谱学的内容非常广泛，凡是涉及到利用电子，离子 能量进行分析的技术，均可归属为电子能谱学的范围。
• 根据激发粒子以及出射粒子的性质，可以分为以下几种技 术。紫外光电子能谱（Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy，UPS），X射线光电子能谱（X－ray Photoelectron Spectroscopy，XPS）,俄歇电子能谱 （Auger Electron Spectroscopy, AES），离子散射谱 （Ion Scattering Spectroscopy，ISS），电子能量损失谱 （Electron Energy Loss Spectroscopy，EELS）等。
电子能谱的发展趋势
• 电子能谱的总体发展趋势是向高空间分辨， 高能量分辨，图像分析方面发展。
• 目前，最先进的XPS其空间分辨率可达到 10微米，最先进的俄歇电子能谱其空间分 辨率可达到6nm。
• 此外，随着纳米技术与薄膜技术的发展， 对其深度分辨能率也越来越高。
本课程的主要内容
• X射线光电子能谱（XPS） 基本原理 仪器装置 实验技术与分析方法 在典型领域的研究应用
• 但电子能谱学也同样是与多种学科交叉和 融合的。
• 总的来说，电子能谱学融合了物理学，电 子学，计算机以及化学等学科。它是这些 学科发展的交叉点，涉及到固体物理，真 空电子学，物理化学，计算机数据等领域。
电子能谱学的发展基础（1）
• 电子能谱学发展的最重要的基础是物理学。物理学理论和 效应的发展和建立是电子能谱学的理论基础。如爱因斯坦 的光电效应理论，实际上就是光电子能谱的最基本的理论。 在该理论中指明了光电子能量与发射电子能量的关系。