现代材料分析方法X射线光电子能谱[可修改版ppt]
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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：
【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
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
材料试验方法X射线衍射X射线光电子能谱PPT课件
• 峰位2 = 36.8 • 积分宽 = 0.358（经校正后）， • = 1.5406 Å ， • 代如公式有 D-MnO2（131） = 260 Å
结晶度的测定
结晶度（％）Ｘｃ＝Ｋ・
Ｉｃ Ｉｔ
Ｉｃ：晶体衍射强度 Ｉｔ：全部的X射线散射强度
结晶度测定实例
结晶度计算
XC= I/（Ia+IC）×100%
计算晶胞参数等 2 . 峰强 计算物相含量，计算结晶度 3 . 峰形 估计结晶度高低，计算晶粒尺寸
1. 晶体样品的物相分析
我们说X射线衍射最主要的用途是定性物相分析。它不仅得到了化学工作者的重视，而且也吸引 了其它领域工作者的注意。现在X射线衍射法已成为科学技术上应用相当广泛的方法之一，遍及物理、 化学、矿物、岩石、金相、冶金、陶瓷、水泥等各个科学技术领域，成为生产和科学研究中重要的有 些领域甚至是不可缺少的分析工具。
根据晶粒大小还可以计算出晶胞的堆垛层数
N=D101/d101=21.5/0.352=61
根据晶粒大小，还可以计算纳米粉体的比表面积
当已知纳米材料的晶体密度r和晶粒大小 利用公式 s=6/rD进行比表面计算
小角X射线衍射
在纳米多层膜材料中，两薄膜层材料反复重叠，形成 调制界面 周期良好的调制界面，产生相干衍射，形成明锐的衍 射峰 对于制备良好的小周期纳米多层膜可以用小角度XRD方 法测定其调幅周期 大周期多层膜调制界面的XRD衍射峰因衍射角度太小而 无法观察
X射线定性物相分析的特点
1. X 射线多晶分析能确切地指出物相； 2. 无损检测，测定后可回收另作它用； 3. 所需试样少。一般1～2g，甚至几百mg； 4. 同分异构体及多价态元素的含量分析。
X射线定性物相分析的局限性
结晶度的测定
结晶度（％）Ｘｃ＝Ｋ・
Ｉｃ Ｉｔ
Ｉｃ：晶体衍射强度 Ｉｔ：全部的X射线散射强度
结晶度测定实例
结晶度计算
XC= I/（Ia+IC）×100%
计算晶胞参数等 2 . 峰强 计算物相含量，计算结晶度 3 . 峰形 估计结晶度高低，计算晶粒尺寸
1. 晶体样品的物相分析
我们说X射线衍射最主要的用途是定性物相分析。它不仅得到了化学工作者的重视，而且也吸引 了其它领域工作者的注意。现在X射线衍射法已成为科学技术上应用相当广泛的方法之一，遍及物理、 化学、矿物、岩石、金相、冶金、陶瓷、水泥等各个科学技术领域，成为生产和科学研究中重要的有 些领域甚至是不可缺少的分析工具。
根据晶粒大小还可以计算出晶胞的堆垛层数
N=D101/d101=21.5/0.352=61
根据晶粒大小，还可以计算纳米粉体的比表面积
当已知纳米材料的晶体密度r和晶粒大小 利用公式 s=6/rD进行比表面计算
小角X射线衍射
在纳米多层膜材料中，两薄膜层材料反复重叠，形成 调制界面 周期良好的调制界面，产生相干衍射，形成明锐的衍 射峰 对于制备良好的小周期纳米多层膜可以用小角度XRD方 法测定其调幅周期 大周期多层膜调制界面的XRD衍射峰因衍射角度太小而 无法观察
X射线定性物相分析的特点
1. X 射线多晶分析能确切地指出物相； 2. 无损检测，测定后可回收另作它用； 3. 所需试样少。一般1～2g，甚至几百mg； 4. 同分异构体及多价态元素的含量分析。
X射线定性物相分析的局限性
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元素 Li Be B C N O F Na Mg
s 1.1 4.2 11 22 40 64 100 195 266
XPS：原理
❖X射线光电子谱仪的能量校准
➢ X射线光电子能谱分析的首要任务是谱仪的能量 校准。一台工作正常的X射线光电子谱仪应是经 过能量校准的。
➢ X射线光电子谱仪的能量校准工作是经常性的， 一般地说，每工作几个月或半年，就要重新校准 一次。
有机材料：
压片法：对软散材料压成片 溶解法：溶于易挥发有机溶剂→镀金托盘→晾干、吹干 研压法：对不溶于有机溶剂的样品→少量研磨于金箔上→形 成薄层
XPS：谱图
典型谱图
横坐标：电子束缚能(能直接反映电子壳层/能级结构)或动
能；eV
纵坐标：cps（Counts per second），相对光电子流强度
➢ 对于气态XPS，测定的结合能与计算的结合能是一致， 因此，可以直接比较。对于导电固体样品，测定的结 合能则是以Fermi能级为基准的，因此，同计算结果 对比时，应用公式进行换算。
EB VEB F S
➢ 对于非导电样品，参考能级的确定是比困难的。
XPS信息深度
软x射线激发光电子→光电子经历弹性散射和非弹性散射 弹性散射（其它原子核与光电子相互作用，只改变方向不 改变能量）→形成XPS主峰 非弹性散射→形成XPS伴峰或信号背底 设：初始光电子强度I0( 边界条件t=0，I=I0)
I(t)=I0exp(-t/lm) t=4lm 2%I0 t=3lm 5%I0 3lm为XPS信息深度 即分析深度
q
电子的逃逸深度
定义：具有确定能量Ec的电子能够通过而不损伤能 量的最大距离。 ∴逃逸深度是电子弹性散射的平均自由程。 逃逸深度与入射粒子无关，是出射电子能量的函数
XPS信息深度
XPS信息深度：3lmcosq
XPS：原理
光电子发射示意图
光电子动能: Ek= hμ- Eb-Φsp
（ Φsp是功函数）
Φsp＝Ws
光电子动能: Ek= hμ- Eb-Φsp
XPS：原理
光电子发射的特点及Auger电子 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判断元素的类型。(定性分 析) 芯电子电离后（原子处于激发态），较外层的电子 可能跃入所留下的空位，通过发射光子或俄歇电子 而退激发。因此光电子同时伴随俄歇电子。
半球形电子能量分析器
E b eV / c
c ( r2 r1 ) r1 r2
改变ΔV便可选择不同 的EK，如果在球形电容 器上加一个扫描电压， 会对不同能量的电子具 有不同的偏转作用，从 而把能量不同的电子分 离开来。
XPS：样品制备
样品尺寸：1cm×1cm左右 无机材料：
溶剂清洗（萃取）→长时间抽真空→去除表面污染物 氩离子枪刻蚀→去除表面污染物 擦磨、刮磨和研磨→获得新鲜表面（注意不要带入污染物） 真空加热→去除表面吸附
注意：谱图对比时测量 参数必须一致。
扫描1次 扫描3次 涂膜玻璃的Si2p谱
原子能级划分－1
量子数表示电子运动状态
主量子数n : 电子能量主要（并非完全）取决于n; n 电子能量
n ＝1, 2, 3, …；通常以K(n=1), L(n=2),M(n=3)…表示 相同的n表示相同的电子壳层
XPS：装置
组成：
x射线源 样品台 电子能量分析器 电子探测和倍增器 数据处理与控制 真空系统
核心部件：激发源； 能量分析器；和电子 探测器
X射线光电子能谱仪
XPS：装置
1. x射线源： 要求： 能量足够激发芯电子层； 强度产生足够的光电子通量； 线宽（决定XPS峰的半高宽FWHM）尽量窄； Mg、Al源 Mg Ka；Al Ka Mg/Al双阳极x射线源
XPS：装置
2. 电子能量分析器：核心部 件
2种结构：
筒镜分析器CMA：点传输率很 高，有很高信噪比。XPS为提高 分辨率，将2个同轴筒镜串联
同心半球分析器CHA：两半球 间的电势差产生1/r2的电场，只 有选定能量的电子才能到达出口。
前面放置一透镜或栅极→电 子减速→电子动能可选定在 一预设值（通道能量） 提 高灵敏度
当一束能量为hν的单色光与原子发生相互作用，而入 射光量子的能量大于原子某一能级电子的结合能时， 发生电离：
M + hν= M*+ + e光电效应过程同时满足能量守恒和动量守恒，入射光 子和光电子的动量之间的差额是由原子的反冲来补偿 的。 光电效应的几率随着电子同原子核结合的加紧而很快 的增加，所以只要光子的能量足够大，被激发的总是 内层电子。外层电子的光电效应几率就会很小，特别 是价带，对于入射光来说几乎是“透明”的。
现代材料分析方法X射线光电子 能谱
XPS 概述
一般用途： 除H以外，所有元素的表面成分分析； 各类表面物质的化学状态鉴别；
薄膜中元素分布的深度−成分分析； 对一些必须避免电子束有害影响的样品的成分分析。
应用举例：
确定金属氧化物表面膜中金属原子的氧化状态； 鉴别表面石墨或碳化物的碳；
XPS：原理---光电效应
逃逸深度与表面灵敏度
光电子和俄歇电子只有在表面附近逃逸深度以内，没有经散射损失 能量的电子才对Eb的谱峰有贡献。 对光电子，能量100~1200eV， lm ＝0.2～2.0nm
实际的逃逸深度与电子在固体内 的运动方向有关
q＝0，逃逸深度最大
电子能谱仪对表面特别灵敏 短
∵lm
q
XPS 与 AES 一 样 对 表 面 灵 敏 （几个原子层）
谱峰直接代表原子轨道的结合能
本底为轫致辐射（非弹性散射的一次和二次电子产生）：高 结合能的背底电子多，随结合能的增高呈逐渐上升趋势。
典型谱图
XPS：谱图
Fe的清洁表面
XPS：谱图
典型谱图
本征信号不强的XPS谱图 中，往往有明显“噪音”
不完全是仪器导致 可能是信噪比太低，即 待测元素含量太少
增加扫描次数、延长 扫描时间 噪音
XPS：原理
光电效应截面s：衡量原子中各能级发射光电子的几率
s为某能级的电子对入射光子有效能量转换面积，也可表 示为一定能量的光子与原子作用时从某个能级激发出一个
电子的几率。
s与电子所在壳层的平均半径r、入射光子频率n和原子序
数Z等因素有关。
光电效应截面s与原子序数Z的关系 Z 3 4 5 6 7 8 9 11 12
s 1.1 4.2 11 22 40 64 100 195 266
XPS：原理
❖X射线光电子谱仪的能量校准
➢ X射线光电子能谱分析的首要任务是谱仪的能量 校准。一台工作正常的X射线光电子谱仪应是经 过能量校准的。
➢ X射线光电子谱仪的能量校准工作是经常性的， 一般地说，每工作几个月或半年，就要重新校准 一次。
有机材料：
压片法：对软散材料压成片 溶解法：溶于易挥发有机溶剂→镀金托盘→晾干、吹干 研压法：对不溶于有机溶剂的样品→少量研磨于金箔上→形 成薄层
XPS：谱图
典型谱图
横坐标：电子束缚能(能直接反映电子壳层/能级结构)或动
能；eV
纵坐标：cps（Counts per second），相对光电子流强度
➢ 对于气态XPS，测定的结合能与计算的结合能是一致， 因此，可以直接比较。对于导电固体样品，测定的结 合能则是以Fermi能级为基准的，因此，同计算结果 对比时，应用公式进行换算。
EB VEB F S
➢ 对于非导电样品，参考能级的确定是比困难的。
XPS信息深度
软x射线激发光电子→光电子经历弹性散射和非弹性散射 弹性散射（其它原子核与光电子相互作用，只改变方向不 改变能量）→形成XPS主峰 非弹性散射→形成XPS伴峰或信号背底 设：初始光电子强度I0( 边界条件t=0，I=I0)
I(t)=I0exp(-t/lm) t=4lm 2%I0 t=3lm 5%I0 3lm为XPS信息深度 即分析深度
q
电子的逃逸深度
定义：具有确定能量Ec的电子能够通过而不损伤能 量的最大距离。 ∴逃逸深度是电子弹性散射的平均自由程。 逃逸深度与入射粒子无关，是出射电子能量的函数
XPS信息深度
XPS信息深度：3lmcosq
XPS：原理
光电子发射示意图
光电子动能: Ek= hμ- Eb-Φsp
（ Φsp是功函数）
Φsp＝Ws
光电子动能: Ek= hμ- Eb-Φsp
XPS：原理
光电子发射的特点及Auger电子 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判断元素的类型。(定性分 析) 芯电子电离后（原子处于激发态），较外层的电子 可能跃入所留下的空位，通过发射光子或俄歇电子 而退激发。因此光电子同时伴随俄歇电子。
半球形电子能量分析器
E b eV / c
c ( r2 r1 ) r1 r2
改变ΔV便可选择不同 的EK，如果在球形电容 器上加一个扫描电压， 会对不同能量的电子具 有不同的偏转作用，从 而把能量不同的电子分 离开来。
XPS：样品制备
样品尺寸：1cm×1cm左右 无机材料：
溶剂清洗（萃取）→长时间抽真空→去除表面污染物 氩离子枪刻蚀→去除表面污染物 擦磨、刮磨和研磨→获得新鲜表面（注意不要带入污染物） 真空加热→去除表面吸附
注意：谱图对比时测量 参数必须一致。
扫描1次 扫描3次 涂膜玻璃的Si2p谱
原子能级划分－1
量子数表示电子运动状态
主量子数n : 电子能量主要（并非完全）取决于n; n 电子能量
n ＝1, 2, 3, …；通常以K(n=1), L(n=2),M(n=3)…表示 相同的n表示相同的电子壳层
XPS：装置
组成：
x射线源 样品台 电子能量分析器 电子探测和倍增器 数据处理与控制 真空系统
核心部件：激发源； 能量分析器；和电子 探测器
X射线光电子能谱仪
XPS：装置
1. x射线源： 要求： 能量足够激发芯电子层； 强度产生足够的光电子通量； 线宽（决定XPS峰的半高宽FWHM）尽量窄； Mg、Al源 Mg Ka；Al Ka Mg/Al双阳极x射线源
XPS：装置
2. 电子能量分析器：核心部 件
2种结构：
筒镜分析器CMA：点传输率很 高，有很高信噪比。XPS为提高 分辨率，将2个同轴筒镜串联
同心半球分析器CHA：两半球 间的电势差产生1/r2的电场，只 有选定能量的电子才能到达出口。
前面放置一透镜或栅极→电 子减速→电子动能可选定在 一预设值（通道能量） 提 高灵敏度
当一束能量为hν的单色光与原子发生相互作用，而入 射光量子的能量大于原子某一能级电子的结合能时， 发生电离：
M + hν= M*+ + e光电效应过程同时满足能量守恒和动量守恒，入射光 子和光电子的动量之间的差额是由原子的反冲来补偿 的。 光电效应的几率随着电子同原子核结合的加紧而很快 的增加，所以只要光子的能量足够大，被激发的总是 内层电子。外层电子的光电效应几率就会很小，特别 是价带，对于入射光来说几乎是“透明”的。
现代材料分析方法X射线光电子 能谱
XPS 概述
一般用途： 除H以外，所有元素的表面成分分析； 各类表面物质的化学状态鉴别；
薄膜中元素分布的深度−成分分析； 对一些必须避免电子束有害影响的样品的成分分析。
应用举例：
确定金属氧化物表面膜中金属原子的氧化状态； 鉴别表面石墨或碳化物的碳；
XPS：原理---光电效应
逃逸深度与表面灵敏度
光电子和俄歇电子只有在表面附近逃逸深度以内，没有经散射损失 能量的电子才对Eb的谱峰有贡献。 对光电子，能量100~1200eV， lm ＝0.2～2.0nm
实际的逃逸深度与电子在固体内 的运动方向有关
q＝0，逃逸深度最大
电子能谱仪对表面特别灵敏 短
∵lm
q
XPS 与 AES 一 样 对 表 面 灵 敏 （几个原子层）
谱峰直接代表原子轨道的结合能
本底为轫致辐射（非弹性散射的一次和二次电子产生）：高 结合能的背底电子多，随结合能的增高呈逐渐上升趋势。
典型谱图
XPS：谱图
Fe的清洁表面
XPS：谱图
典型谱图
本征信号不强的XPS谱图 中，往往有明显“噪音”
不完全是仪器导致 可能是信噪比太低，即 待测元素含量太少
增加扫描次数、延长 扫描时间 噪音
XPS：原理
光电效应截面s：衡量原子中各能级发射光电子的几率
s为某能级的电子对入射光子有效能量转换面积，也可表 示为一定能量的光子与原子作用时从某个能级激发出一个
电子的几率。
s与电子所在壳层的平均半径r、入射光子频率n和原子序
数Z等因素有关。
光电效应截面s与原子序数Z的关系 Z 3 4 5 6 7 8 9 11 12