最常用的表面分析技术-电子能谱思考题

《电子能谱思考题》

1. 最常用的表面分析技术有哪些? 它们各自可测的元素有哪些？它们可获得哪些表面信息？它们各有何优点？

XPS、AES和SIMS是目前广泛使用的三种最常用的表面分析技术。XPS和AES 可检测原子序数>2的所有元素；而SIMS可检测所有的元素。XPS主要获取表面元素和化学键信息，此外还可得到元素深度分布和价带结构等信息；AES主要获取表面元素信息，此外还可得到元素深度分布和表面成像以及化学键等信息；SIMS主要获取表面元素和同位素信息，此外还可得到元素深度分布和表面成像以及化合物等信息。XPS的最大特色在于能获取丰富的化学信息，定量分析好，对样品表面的损伤最轻微；AES的最大特色是空间分辨力非常好，具有很高的微区分析能力，可进行表面分布成像。SIMS的最大特色是检测灵敏度非常高，并可分析H和He以及同位素，可作微区、微量分析以及有机化学分析。

2. 用电子能谱进行表面分析对样品有何一般要求？有哪些清洁表面的常用制备方法？

由于电子能谱测量要在超高真空中进行，测量从样品表面出射的光电子或俄歇电子。所以对检测的试样有一定的要求：即样品在超高真空下必须稳定，无腐蚀性，无磁性，无挥发性。另外在样品的保存和传送过程中应尽量避免样品表面被污染。在任何时候，对被分析样品的表面都应尽量少地接触和处理。

常用清洁表面的制备方法有：真空解理、断裂，稀有气体离子溅射，真空刮削，高温蒸发，真空制备薄膜等。

3. 什么是化学位移和终态效应？它们有何实际应用？

原子因所处化学环境不同而引起的内壳层电子结合能变化，在谱图上表现为谱峰的位移，这种现象称为化学位移。所谓某原子所处化学环境不同有两方面的含义：一是指与它相结合的元素种类和数量不同；二是指原子具有不同的价态。

电子的结合能与体系的终态密切相关。由电离过程中引起的各种激发产生的不同体系终态对电子结合能的影响称为终态效应。电离过程中除了驰豫现象外，还会出现诸如多重分裂，电子的震激(Shake up)和震离(Shake off)等激发状态。这些复杂现象的出现同体系的电子结构密切相关，它们在XPS谱图上表现为除正常光电子主峰外，还会出现若干伴峰。

化学位移和终态效应常用来作元素化学态的识别，并可以推知原子结合状态和电子分布状态。此外它们还可以给出某些体系的结构信息。它们可提供材料表面丰富的物理和化学信息。

4. 在XPS谱图中可观察到几种类型的峰？从XPS谱图中可得到哪些表面有关的物理和化学信息？

在XPS谱图中可观察到几种类型的峰。一部分是基本的并总可观察到，另一些依赖于样品的物理和化学性质。i. 光电子谱线(photoelectron lines)；ii. 俄歇电子谱线(Auger lines)；iii. X射线卫星峰(X-ray satellites)；iv. X射线鬼线(X-ray “ghosts”)；v. 震激谱线(shake-up lines)；vi. 多重分裂(multiplet splitting)；vii. 能量损失谱线(energy loss lines)；viii. 价电子线和价带(valence lines and bands)。

XPS主要通过测定内壳层电子能级谱的化学位移可以推知原子结合状态和电子分布状态。XPS可提供的信息有样品的组分、化学态、表面吸附、表面态、表面价电子结构、原子和分子的化学结构、化学键合情况等。X射线光电子能谱进行元素鉴别的依据是各种元素的光电子峰结合能具有特征性和唯一性，即具有元素的“指纹”特征；进行化学态识别的主要依据是化学位移和各种终态效应以及价带谱特征等。

5. 用X射线光电子能谱进行元素鉴别时的一般分析步骤有哪些？

用X射线光电子能谱进行元素鉴别是通过测定谱中不同元素芯光电子峰的结合能直接进行的。就一般解析过程而言，①我们总是首先鉴别那些总是存在的元素的谱线，特别是C和O的谱线；②其次鉴别样品中主要元素的强谱线和有关的次强谱线；③最后鉴别剩余的弱谱线，假设它们是未知元素的最强谱线；④对于p，d，f 谱线的鉴别应注意它们一般应为自旋双线结构，它们应有一定的能量间隔和强度比，p 线的强度比约为1:2，d 线的强度比约为2:3，f 线的强度比约为3:4。

6. 俄歇电子能谱的基本原理是什么？俄歇电子的能量主要与哪些因素有关？

俄歇电子能谱(AES)的基本原理是俄歇效应。当原子的内层电子被激发形成空穴后，原子处于较高能量的激发态，这一状态是不稳定的，它将自发跃迁到能量较低的状态（退激发过程），其中非辐射退激发过程通过原子内部的转换过程把能量交给较外层的另一电子，使它克服结合能而向外发射(Auger过程)。向外辐射的电子称为俄歇电子，其能量仅由相关能级决定，与原子激发状态的形成原因无关。因而它具有"指纹"特征，可用来鉴定元素种类。

7. 俄歇电子能谱有何突出优点？它可给出哪些表面的物理和化学信息？

AES的最大优点是优异的空间分辨率，具有很高的微区分析能力，可进行表面成像，具有高的(亚单层)表面灵敏度，对表面损伤较小。AES可给出如下表面特征：化学组成，覆盖度，键中的电荷转移，电子态密度和表面键中的电子能级等。由于电子束可细微聚焦、偏转和扫描，所以还可测出元素在表面的分布(SAM)。当与离子刻蚀相结合还可得到元素在深度方向的分布。在某些条件下还可给出元素在表面的化学状态信息。

8. 用AES分析304不锈钢表面，测得Fe、Cr和Ni的LMM俄歇峰的相对强度分别为10.1、4.7和1.5，已知其相应的相对灵敏度因子分别为0.2、0.29和0.27。试求表面上Fe、Cr和Ni的百分含量。

解：应用相对灵敏度因子法，我们可以计算出