最常用的表面分析技术-电子能谱思考题
化学实验中的常见表面分析方法
化学实验中的常见表面分析方法在化学实验中，为了研究和分析物质的性质和组成，常常需要进行表面分析。
表面分析是指通过对物质表面的性质和组分进行研究，以了解其物理和化学特性。
本文将介绍一些在化学实验中常见的表面分析方法。
1. X射线光电子能谱（XPS）X射线光电子能谱是一种常见的表面分析技术，它可以用来研究材料的元素组成、化学状态以及电子能级结构。
该方法通过利用高能X射线照射样品，并测量样品表面发射的光电子的能谱来分析。
通过分析光电子能谱，可以确定元素的种类、含量以及氧化态等信息。
2. 扫描电子显微镜（SEM）扫描电子显微镜是一种常用的表面形貌分析工具，它能够通过电子束在样品表面的扫描来观察和记录样品的形貌和微观结构。
SEM可以提供高分辨率的显微镜图像，帮助研究者观察样品的微观形貌和表面结构，从而了解样品的表面形貌特征。
3. 傅里叶红外光谱（FTIR）傅里叶红外光谱是一种用来研究物质分子振动和化学键结构的技术。
该方法通过使用红外辐射照射样品，测量样品在红外区域的吸收光谱来进行分析。
通过不同波数处的峰值和谱带，可以确定样品中的化学基团和化学键类型，从而了解分子的结构和组成。
4. 原子力显微镜（AFM）原子力显微镜是一种用来研究样品表面形貌和微观结构的高分辨率显微镜。
它通过在样品表面扫描探针，测量探针与样品之间的相互作用力来生成和记录样品表面的形貌和结构图像。
AFM的分辨率可以达到亚纳米级别，能够观察到样品表面的原子和分子级别的细节。
5. 表面增强拉曼光谱（SERS）表面增强拉曼光谱是一种用来研究分子振动和化学键信息的技术。
它利用金属纳米颗粒或表面纳米结构的电磁增强效应，使样品的拉曼散射信号被放大，从而提高了拉曼光谱的灵敏度。
SERS可以用于检测极低浓度的分子，并提供有关分子结构和组成的信息。
6. 电化学阻抗谱（EIS）电化学阻抗谱是一种研究电极和界面电化学特性的技术。
通过在电位或频率范围内测量电极上的电荷传递和电荷分布的变化，可以获得电化学阻抗谱图像。
现代分析测试技术_05光电子能谱与俄歇电子能谱综合练习
第五章光电子能谱与俄歇电子能谱（红色的为选做，有下划线的为重点名词或术语或概念）1．名词、术语、概念：表面分析，光电离，（外）光电效应，光电子，俄歇效应，俄歇电子，电子能谱的化学位移，伴峰，X射线光电子能谱的谱峰分裂等。
2．用于表面分析的方法很多，其中电子能谱应用最广泛，而最常用的三种电子能谱是（）、（）和（）。
3．俄歇电子符号XYZ（如KL2L3）顺序表示( )、( )和( )。
4．光电子的动能与激发源的能量有关，因此激发源必需单色。
这种说法（）。
A．正确；B．错误5．俄歇电子的动能与激发源的能量无关，因此激发源无需单色。
这种说法（）。
A．正确；B．错误6．俄歇电子的动能只与样品元素组成及所处的化学状态有关，不随入射光子（或其他粒子）的能量而改变，故入射束不需单色。
这种说法（）。
A．正确；B．错误7．X射线光电子的动能只与样品元素组成有关，不随入射光子的能量而改变，故入射束不需单色。
这种说法（）。
A．正确；B．错误8．俄歇电子能谱和X射线光电子能谱均不能分析H和He。
这种说法（）。
A．正确；B．错误9．俄歇电子能谱和X射线光电子能谱都能分析元素周期表上的所有元素及其化学态。
这种说法（）。
A．正确；B．错误10．紫外光电子能谱不能用于固体表面元素的定性分析，也难于定量分析。
这种说法（）。
A．正确；B．错误11．固体表面元素的定性分析及定量分析，可以选择下列方法中的（）。
A．X射线光电子能谱（XPS）；B．紫外光电子能谱（UPS）；C．X射线衍射（XRD）；D．扫描探针显微镜（SPM）。
12．某聚合物的价带结构分析，优先选择下列方法中的（）。
A．俄歇电子能谱（AES）；B．紫外光电子能谱（UPS）；C．X射线衍射（XRD）；D．电子探针（EPMA）。
13．某半导体材料的表面能带结构测定，可以选择下列方法中的（）。
A．扫描电镜（SEM）；B．透射电镜（TEM）；C．X射线衍射（XRD）；D．紫外光电子能谱（UPS）。
光电子能谱分析
第五章光电子能谱分析一、教学目的1. 了解常用表面分析方法特点及应用。
2. 掌握光电子能谱的基本原理。
3. 掌握光电子能谱实验技术，包括能谱仪的应用及样品测定中应注意的问题。
4. 了解和掌握光电子能谱的应用。
5. 了解俄歇电子能谱分析方法。
一、 教学方法面授二、 教学手段多媒体＋板书三、 学时分配6学时四、 重点、难点1.光电子能谱的基本原理。
2.光电子能谱应用技术。
五、 作业（思考题）1. 表面分析可以得到哪些信息？2. 表面分析方法有哪几种？3. 试述光电子能谱测量原理。
4. 光电子能谱分析表面的深度？5 光电子能谱仪的组成有那些？制样中要注意那些问题？第一节 概 述电子能谱是近十多年才发展起来的一种研究物质表面的性质和状态的新型物理方法。
这里所谓的表面是指固体最外层的l ～10个原子的表面层和吸附在它上面的原子、分子、离子或其他覆盖层，它的深度从小于1到几个nm ，或者包括采取剥离技术将表面层沿纵向深度暴露出新的表面。
用特殊的手段对这类表面进行分析已形成一门新兴的测试方法，即表面分析法表面分析法表面分析法，，它在理论上和实际应用上都有广泛的研究领域。
表面分析方法在无机非金属材料学科中的应用，例如：研究玻璃表面的刻蚀作用、水泥矿物硅酸钙的水化作用、陶瓷表面和界面、高温超导材料表面的作用等均有重要意义。
一、表面分析可以得到的信息表面分析是借助于各种表面分析仪，对物体 10 nrn 以内的表面层进行分析，可得到的信息有：（1）物质表面层（包括吸附层）的化学成分，除氢元素以外的元素都可以从表面分析法获得定性和定量的结果，而X 射线能谱分析一般只能分析到原子序数为11以上的元素（最好的仪器可以分析原子序数为4的Be 元素）。
定量分析也只能达到半定量程度。
（2）物质表面层元素所处的状态或与其他元素间的结合状态和结构，即元素所处的原子状态、价态、分子结构等信息。
（3）表面层物质的状态，如表面层的分子和吸附层分子状态、氧化态、腐蚀状态、表面反应生成物等。
材料测试第五章.答案
hv Eb Ek We
费米能级
在X射线光电子能谱仪中，样品与谱仪材料的功 函数的大小是不同的。但是，固体样品通过 样品台与仪器室接触良好，而且都接地。根 据固体物理的理论，它们二者的费米能级将 处在同一水平。如果样品材料的功函数Ws大 于仪器材料的功函数W’，即Ws＞W’，当两种材 料一同接地后，功函数小的仪器中的电子便 向功函数大的样品迁移，并且分布在样品的 表面，使样品带负电，谱仪入口处则因少电 子而带正电，
X射线光电子能谱分析的创立
XPS是由瑞典皇家科学院院士、Uppsala大学物 理研究所所长K. Siegbahn教授领导的研究小 组创立的，并于1954年研制出了世界上第一 台光电子能谱仪。硫代硫酸钠的XPS谱图上出 现两个完全分离的S2p峰，并且两峰的强度相 等；而在硫酸钠的XPS谱图中只有一个S2p峰。 硫代硫酸钠（Na2S2O3）中的两个硫原子（+6 价和-2价）周围的化学环境不同，从而造成 了二者内层电子结合能有显著的不同。
（3）磁量子数（ml）
决定电子绕核运动的角动量沿磁场方向的分 量。 决定电子云在空间的伸展方向。 ml=0，± 1，± 2，± 3……± l， 数目为2l+1个 当两个电子的n，l值相同时， ml不同时，无 外磁场时，能量相等；相反，有外磁场时， 能量不同。
(4)自旋量子数ms
决定自旋角动量沿磁场方向的分量 ms=1/2，顺磁场 ms=-1/2，反磁场 当两个电子的 n， l ， ml 值相同时， ms 不同 时，无外磁场时，能量相等；相反，有外磁 场时，能量不同。
化学位移
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。同种原子由于处 于不同的化学环境，引起内壳层电子结合能 变化，在谱图上表现为谱线的位移，这种现 象称为化学位移，它实质上是结合能的变化 值。所谓某原子所处化学环境不同，
表面与界面物理思考题答案
表⾯与界⾯物理思考题答案邓⽼师部分 (2)1，原⼦间的键合⽅式及性能特点。
(2)2，原⼦的外层电⼦结构，晶体的能带结构。
(2)3，晶体（单晶体，多晶体）的基本概念，晶体与⾮晶体的区别。
(2)4，空间点阵与晶胞、晶⾯指数、晶⾯间距的概念，原⼦的堆积⽅式和典型的晶体结构。
(2)5，表⾯信息获取的主要⽅式及基本原理。
(3)6，为什么XPS可获得表⾯信息，⽽X射线衍射只能获得体信息？ (3)7，利⽤光电⼦能谱（XPS）和俄歇（A UGER）电⼦能谱（AES）进⾏表⾯分析的基本原理和应⽤范围。
(4)8，透射电⼦显微镜有哪⼏种⼯作模式，它们可获得材料的什么信息？ (4)9，扫描电⼦显微镜的⼆次电⼦像和背反射电⼦像的成像原理。
(4)10，说明电⼦束的基本特征，举出⼏种利⽤电⼦束的波动性和粒⼦性的分析技术。
(5)11，什么是电⼦结合能的位移？价带能态密度可采⽤什么⽅法测试，简述其原理。
(5)12，表⾯的定义，什么是清洁表⾯和实际表⾯？ (5)13，什么是表⾯的TLK模型？表⾯缺陷产⽣的原因是什么？ (5)14，什么是表⾯弛豫和表⾯重构？画出表⾯弛豫和表⾯重构的原⼦排列图。
(5)15，为什么表⾯原⼦排列与体内不同，请⽐较重构与弛豫的异同，并解释S I（111）2×1重构的成因。
(6)16，纳⽶材料有哪些效应？ (6)17，说明表⾯张⼒和表⾯⾃由能分别⽤于什么情况。
解释表⾯吸附对表⾯⾃由能的影响。
如何测试材料的表⾯⾃由能，简述其基本原理。
(6)18，什么是晶体材料的易⽣长晶⾯，它与什么因素有关？N A C L为简单⽴⽅晶体，它的易⽣长晶⾯是什么？ (7)陶⽼师部分 (8)1，表⾯态的产⽣原因和种类，它对材料性能有何影响？ (8)2，形成空间电荷区的原因和表⾯空间电荷区的类型。
(8)3，什么是准费⽶能级？ (8)4，有⼀半导体材料，其体费⽶能级在导带下1/3E G处，表⾯费⽶能级距导带2/3E G处，E G 为禁带宽度。
纳米检测基础知识题库单选题100道及答案解析
纳米检测基础知识题库单选题100道及答案解析1. 纳米检测技术中，常用于表征纳米材料形貌的方法是（）A. 红外光谱B. 扫描电子显微镜C. 核磁共振D. 紫外可见吸收光谱答案：B解析：扫描电子显微镜可直接观察纳米材料的表面形貌。
2. 纳米检测中，能分析物质元素组成的是（）A. 原子力显微镜B. X 射线光电子能谱C. 拉曼光谱D. 热重分析答案：B解析：X 射线光电子能谱可用于测定物质的元素组成和化学态。
3. 以下哪种纳米检测技术分辨率最高（）A. 透射电子显微镜B. 扫描隧道显微镜C. 原子力显微镜D. 光学显微镜答案：B解析：扫描隧道显微镜的分辨率可达原子级别。
4. 纳米检测中，用于测量纳米材料磁性的是（）A. 振动样品磁强计B. 差示扫描量热仪C. 动态光散射D. 荧光光谱答案：A解析：振动样品磁强计是常用的磁性测量仪器。
5. 以下不是纳米检测中常用的样品制备方法的是（）A. 离子溅射镀膜B. 化学气相沉积C. 机械研磨D. 溶胶- 凝胶法答案：C解析：机械研磨一般不用于纳米检测的样品制备。
6. 在纳米检测中，能提供分子振动信息的是（）A. 傅里叶变换红外光谱B. 质谱C. 气相色谱D. 高效液相色谱答案：A解析：傅里叶变换红外光谱反映分子的振动信息。
7. 纳米检测时，测量纳米颗粒粒径分布的常用方法是（）A. 比表面积法B. 激光粒度仪C. 电子衍射D. 小角X 射线散射答案：B解析：激光粒度仪可快速测量纳米颗粒的粒径分布。
8. 用于检测纳米材料热稳定性的是（）A. 热重分析B. 电感耦合等离子体发射光谱C. 电导测量D. 穆斯堡尔谱答案：A解析：热重分析可研究材料的热稳定性。
9. 以下哪种纳米检测技术可以实现对单个原子的操纵（）A. 扫描电子显微镜B. 扫描探针显微镜C. 荧光显微镜D. 偏光显微镜答案：B解析：扫描探针显微镜能够实现对单个原子的操纵。
10. 纳米检测中，分析纳米材料晶体结构的常用方法是（）A. X 射线衍射B. 红外光谱C. 紫外可见光谱D. 圆二色谱答案：A解析：X 射线衍射是确定晶体结构的重要方法。
武汉大学《分析化学》(第5版)(下册)课后习题(表面分析方法) 【圣才出品】
第7章 表面分析方法7-1 试述X射线光电子能谱与Auger电子能谱各自的特点。
答：（1）X射线光电子能谱的特点X射线光电子能谱法是指采用X射线作激发光源照射试样，使电子受到激发而发射，通过测量这些电子的相对强度与能量分布的关系而获得有关的信息，基本原理是光电效应；利用X射线光电子能谱可测定固体表面组分的化学成分和表面的电子结构；X射线光电子能谱主要研究原子内层电子的结合能。
（2）Auger电子能谱的特点Auger电子能谱法（AES）是指采用一定能量的电子束（X射线）激发试样，以测量二次电子中与入射电子能量无关且本身具有确定能量的Auger电子峰为基础的分析方法；AES常用电子作激发源，电子峰的能量具有元素特征性，可用于定性分析，Auger电流近似正比于被激发的原子数目，可进行定量分析，因此它是一种灵敏、快速的表面分析方法。
7-2 比较X射线光电子能谱与紫外光电子能谱，哪个更适合研究振动的精细结构？答：UPS更适合研究振动的精细结构，原因如下：（1）XPS谱图反映了光电子强度对电子结合能或光电子动能的关系，主要用来研究原子的内层电子结合能，因为内层电子不参与化学反应，保留了原子轨道特征，所以电子结合能具有特征性，不同元素原子产生彼此完全分离的电子谱线，一般可用来鉴别元素；（2）UPS谱图的形状取决于电离后离子的形态和入射光子的能量以及具体的实验条件，因为紫外光源线宽较窄，能量较低，可分辨出分子的振动精细结构，所以UPS更适合研究振动的精细结构。
σ7-3 简述光电离截面与原子序数的关系；并简述元素电负性是怎样影响结合能的？σσ答：（1）光电离截面与原子序数的关系：光电离截面与入射光子能量、受激原σ子的原子序数和电子壳层平均半径等因素有关，对不同元素的同一壳层，值随原子序数σ的增大而增大，而同一原子的值反比于轨道半径的平方；（2）元素电负性对结合能的影响：原子的内层电子同时受到核电荷的库仑引力和核外其他电子的屏蔽作用，当外层电子密度增大时，屏蔽作用增强，内层电子的结合能减小，反之结合能增加，与电负性大的原子结合时，原子的电子结合能将向高结合能的方向移动。
电子能谱分析
2.3.2 XPS仪器 仪器结构框图与AES相似，差别在于探针不同。xray源为x光管，常用铝靶或镁靶作为X光管的靶材 料。
对于Al靶的Kα为1.49Kev，半宽度为0.68 ev ； Mg靶的Kα为1.25Kev，半宽度为0.83 ev。
2.3.3应用 1 定性分析 月球土壤
2 定量分析 聚四氟乙烯定量分析
3 表面的电子结构与体内原子结构不同。
每个原子/离子在体内的都是有规律地排布，从空 间上讲是电子处于一种平衡状态，而表面原子从空 间分布上至少是缺一个方向的平衡（面、棱、角）， 电子云的分布也不相同。因此，表面的原子比体内 原子活性更大。
2.1.3表面分析方法
表面分析方法是借助于某种“探针”，通过“探针” 与物质的表面作用，从而获得有关表面的信息的分 析方法
定量分析方法常用相对灵敏因子法（归一化法）
ci—第i种元素的摩尔分数（相对值）；Ii——AES 信号强度；Si——相对灵敏度因子（与Ag相比，可 查到）
3 实际应用举例
Element O V Au Si Na
Wt% 39.77 60.23 11.32 22.89 02.06 At% 67.76 32.24 01.74 24.66 02.71
退激发的方式有两种：一种是发射特征X－ray； 另一种是较外层电子向空穴跃迁，退激发的能量 使外层电子克服结合能脱离原子，发射出来的电 子被称为俄歇电子。
2.2.2俄歇电子能谱（AES）基本原理
1 俄歇过程命名法
俄歇过程涉及到三个能级，分别用Wi、Xp、Yq表示。其 中W表示产生空穴的主能级，i表示次能级。X表示向空穴 跃迂电子的主能级，p表示次能级；Y为发射俄歇电子的 主能级，q表示次能级 。 命名：以空穴所在电子层命名俄歇系 K系列—空穴在K层； L系列—空穴在L层
第二十三章 X射线光电子能谱
第二十三章 X射线光电子能谱1954年以瑞典Siegbahn教授为首的研究小组观测光峰现象，不久又发现了原子内层电子能级的化学位移效应，于是提出了ESCA(化学分析电子光谱学)这一概念。
由于这种方法使用了铝、镁靶材发射的软X射线，故也称为X-光电子能谱(X-ray Photoelectron Spectroscopy)。
X光电子能谱分析技术已成为表面分析中的常规分析技术，目前在催化化学、新材料研制、微电子、陶瓷材料等方面得到了广泛的应用。
23.1 基本原理固体表面分析，特别是对固体材料的分析和元素化学价态分析，已发展为一种常用的仪器分析方法。
目前常用的表面成分分析方法有：X射线光电子能谱（XPS）, 俄歇电子能谱(AES)，静态二次离子质谱(SIMS)和离子散射谱(ISS)。
AES分析主要应用于物理方面的固体材料（导电材料）的研究，而XPS的应用面则广泛得多，更适合于化学领域的研究。
SIMS 和ISS由于定量效果较差，在常规表面分析中的应用相对较少。
但近年随着飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）的发展，使得质谱在表面分析上的应用也逐渐增加。
X射线光电子能谱最初是由瑞典科学家K.Siegbahn等经过约20年的努力而建立起来的，因在化学领域的广泛应用，被称为化学分析用电子能谱（ESCA）。
由于最初的光源采用了铝、镁等的特性软X射线，该技术又称为X射线光电子能谱（XPS）。
1962年，英国科学家D.W.Turner等建造出以真空紫外光作为光源的光电子能谱仪，在分析分子内价电子的状态方面获得了巨大成功，同时又用于固体价带的研究，与X射线光电子能谱相对照，该方法称为紫外光电子能谱（UPS）XPS的原理是基于光的电离作用。
当一束光子辐射到样品表面时，样品中某一元素的原子轨道上的电子吸收了光子的能量，使得该电子脱离原子的束缚，以一定的动能从原子内部发射出来，成为自由电子，而原子本身则变成处于激发态的离子，如图23-1所示。
XPS分析技术[试题]
![XPS分析技术[试题]](https://img.taocdn.com/s3/m/da751b53b207e87101f69e3143323968011cf43a.png)
18.1 引言固体表面分析业已发展为一种常用的仪器分析方法，特别是对于固体材料的分析和元素化学价态分析。
目前常用的表面成分分析方法有：X射线光电子能谱（XPS）, 俄歇电子能谱(AES)，静态二次离子质谱(SIMS)和离子散射谱(ISS)。
AES分析主要应用于物理方面的固体材料科学的研究，而XPS的应用面则广泛得多，更适合于化学领域的研究。
SIMS和ISS由于定量效果较差，在常规表面分析中的应用相对较少。
但近年随着飞行时间质谱（TOF-SIMS）的发展，使得质谱在表面分析上的应用也逐渐增加。
本章主要介绍X射线光电子能谱的实验方法。
X射线光电子能谱（XPS）也被称作化学分析用电子能谱（ESCA）。
该方法是在六十年代由瑞典科学家Kai Siegbahn教授发展起来的。
由于在光电子能谱的理论和技术上的重大贡献，1981年，Kai Siegbahn获得了诺贝尔物理奖。
三十多年的来，X射线光电子能谱无论在理论上和实验技术上都已获得了长足的发展。
XPS已从刚开始主要用来对化学元素的定性分析，业已发展为表面元素定性、半定量分析及元素化学价态分析的重要手段。
XPS的研究领域也不再局限于传统的化学分析，而扩展到现代迅猛发展的材料学科。
目前该分析方法在日常表面分析工作中的份额约50%，是一种最主要的表面分析工具。
m大小,μ在XPS谱仪技术发展方面也取得了巨大的进展。
在X射线源上，已从原来的激发能固定的射线源发展到利用同步辐射获得X射线能量单色化并连续可调的激发源；传统的固定式X射线源也发展到电子束扫描金属靶所产生的可扫描式X射线源；X射线的束斑直径也实现了微型化，最小的束斑直径已能达到6 使得XPS在微区分析上的应用得到了大幅度的加强。
图像XPS技术的发展，大大促进了XPS在新材料研究上的应用。
在谱仪的能量分析检测器方面，也从传统的单通道电子倍增器检测器发展到位置灵敏检测器和多通道检测器，使得检测灵敏度获得了大幅度的提高。
红外光电子能谱技术在材料表面分析中的应用
红外光电子能谱技术在材料表面分析中的应用近年来，红外光电子能谱技术逐渐成为材料表面分析的热门技术。
该技术在全球范围内得到了广泛的应用，并在许多领域取得了卓越的成果。
本文将从红外光电子能谱技术的原理、应用领域和优势等方面展开论述，希望能为读者深入了解该技术的发展和应用情况。
一、红外光电子能谱技术的原理红外光电子能谱技术是一种基于红外光的吸收谱的表面分析技术。
它的原理是利用物质中特定化学键的吸收特性来确定样品的成分和结构。
当红外光通过样品时，特定的化学键根据不同能量的光而吸收不同的光谱带，从而形成特定的红外光谱。
通过分析红外光谱，可以推断出样品中存在的化学成分和物质结构等信息。
二、红外光电子能谱技术的应用领域1. 化学领域红外光电子能谱技术在化学领域中被广泛应用。
它可以用于研究有机分子与无机物质之间的化学键形成和断裂等过程，进而推断出化学反应的机理和速率等相关信息。
此外，红外光电子能谱技术还可以用于确定有机化合物的结构、鉴定无机材料的成分以及检测环境中的有害物质等。
2. 生物医药领域在生物医药领域，红外光电子能谱技术被广泛应用于药物研发、药物检测和生物分子研究等方面。
通过该技术，可以非侵入性地观察人体组织和细胞的生化变化，进而研究疾病的机制和病理变化等。
这种无损伤性的分析方法对于人体组织和细胞的研究具有重要意义。
3. 材料科学领域红外光电子能谱技术在材料科学领域有着广泛的应用。
它可以用于分析和表征高分子材料、无机材料和复合材料等。
通过红外光谱，可以推断出材料的结构和成分，进而优化材料的性能和改善制备工艺。
此外，红外光电子能谱技术还可以用于研究材料的光学性质和电子结构等方面。
三、红外光电子能谱技术的优势1. 非破坏性红外光电子能谱技术是一种非破坏性的表面分析技术，它可以在不破坏样品的情况下获取样品的物质成分和结构等信息。
这使得红外光电子能谱技术非常适用于对宝贵样品或难以获取的样品进行分析。
2. 高灵敏度和分辨率红外光电子能谱技术具有很高的灵敏度和分辨率。
电子能谱技术在表面科学中的应用
电子能谱技术在表面科学中的应用随着科技的不断发展，表面科学领域也得到了较大的拓展和发展。
在表面科学中，电子能谱技术的应用日益广泛，并成为了该领域中十分重要的一项技术手段。
本文将重点探讨电子能谱技术在表面科学中的应用。
一、电子能谱技术的基础原理电子能谱技术是利用电子束轰击目标原子或分子后，记录其所发出电子的能量谱，从而确定化合物的分子结构、元素种类及其数量等信息的一种分析技术。
具体来说，电子能谱技术主要应用于测定固体表面、薄膜以及分子表面等物质表面上原子层面的化学情况，以及表面化学反应和表面物理等方面的问题。
该技术模式主要有两种：即X射线光电子能谱（XPS）和AUg11X光电子能谱（UPS）。
二、电子能谱技术的应用领域在表面科学中，电子能谱技术具有广泛的应用。
其中，主要有以下几个方面。
1、表面元素分析表面元素分析是电子能谱技术最基本的应用形式。
通过电子能谱技术，可以确定表面化合物的元素种类和数量，而这项技术的应用通常用于研究各种不同表面上的表面物质，如有机膜、半导体器件以及金属表面等。
2、表面化学反应电子能谱技术可以同时测量反应前后化学反应物的表面成分变化，因而适合研究表面化学反应的动力学性质，如反应速率和反应机理等。
3、表面物理电子能谱技术可用于研究材料表面的电子结构、光散射、磁性等方面的物理性质，这对于有学者研究催化、电池、半导体和薄膜等材料非常重要。
4、表面修饰表面修饰是化学科学中常见的研究领域之一。
利用电子能谱技术，可以研究各种表面修饰技术的效果、修饰对于材料性能的影响以及表面修饰对于催化、生物传感和电化学等方面的应用。
三、电子能谱技术的优点电子能谱技术作为一种分析方法，其有很多优点。
主要有以下几个：1、非接触式表面分析在电子能谱技术中，电子束在样品表面上触发电子发射，而损伤几率很低。
相对于其他的表面分析技术，该技术的样品表面区域可以在原始形态下被测量，并且该方法具有非接触式的分析特点。
2、无样品预处理电子能谱技术不需要对样品进行任何处理，就能够使样品获得其表面的化学信息。
XPS习题解答
XPS习题解答1.简述光电子能谱分析的定义和主要类型及其特点。
答：光电子能谱分析是一种研究材料表层的元素组成与化学状态的表面分析技术，其基本原理：用单色射线照射样品，使表层原子或分子的内层电子受激并发射，成为光电子，并测量这些光电子的能量分布，然后与已知原子的不同壳层的电子能量相比较，确定未知样品表层的元素组成和化学状态。
一般认为，分析的信息深度10nm左右。
2.何谓X射线光电子能谱分析？简述其基本原理。
答：XPS是用X射线激发表层原子的内层电子，产生光电子，因为内层能级的结合能对特定的元素有特定的值，通过测定电子的结合能和谱峰强度，可对除H和He(因为它们没有内层能级)之外的其他元素进行定量分析。
原理：样品受到X射线辐照后，发射光电子，经电子能量分析器分离，被探测器收集后经过计算机处理，得到该样品的XPS谱图。
原子内层电子结合能的变化可以提供分子结构、电子结构。
价态等信息。
3.简述产生光电子的光电效应过程。
答：物质受光作用放出电子的现象称为光电效应。
当具有一定能量hν的入射光子与样品中的原子相互作用时，单个光子把全部能量交换给原子某壳层上一个受束缚的电子，这个电子就获得了这个能量。
如果该能量大于该电子的结合能Eb，该电子就将脱离原来受束缚的能级；若还有多余的能量可以使电子克服功函数W，则电子就成为自由电子、并获得一定的动能Ek，原子本身则变成激发态离子。
该过程就称为光电效应。
4.何谓光电子的逸出几率和逸出深度？其逸出深度由哪些物理参数决定？答：逸出几率：（用光电截面δ表示）定义为某能级的电子对入射光子的有效能量转移面积，或者一定能量的光子从某个能级激发出一个光电子的几率。
逸出深度：光电子在固体样品中不发生非弹性碰撞时逸出的深度几率。
决定于电子能量和电子平均自由程。
5.什么叫电子结合能和逸出功？逸出功又叫什么？如何获得电子结合能？答：电子结合能：电子从所在能级转移到费米能级（0K时固体能带中充满电子的最高能级）所需的能量。
电子能谱分析(1)
出功 sp代替试样逸出功s：
试样谱仪未连接 试样谱仪连接
电子能谱分析(1)
EKsp EK
EK + s = EKsp+ sp
EKsp
仪器的sp 是给定不变的, 可通过实测EKsp来求得试样的结合能Eb.
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，使得谱图变得复杂。 解释谱图并由此判断各种可能的相互作用，获得体系的结构信息，这是 当前推动XPS发展的重要方面，也是实用光电子谱经常遇到的问题。
电子能谱分析(1)
1.1.8 非导电样品的荷电校正
因此，在实际应用中，人们要对材料和器件工作表面的宏 观性能做出正确的评价与理解，首先必须对各种条件下表面 的化学组成和化学状态进行定性和定量的测定和分析。
电子能谱分析(1)
• 固体表面状态，包括表面成分、结构、配位、化学键性、 能带、电子态等等，对材料的许多物性以及相关的应用和 理论都有非常重要的意义。
电子能谱分析(1)
2020/11/28
电子能谱分析(1)
固体表面的化学组成和体内不完全相同，甚至完全不同， 造成这种差别的原因主要有：
★ 表面原子（或离子）化学键部分断裂（悬挂键）， 能量状态与体内不同；
★ 外来物在表面的吸附、污染； ★ 表面的氧化、腐蚀和摩擦； ★ 人为加工的表面，如离子注入、钝化和各种涂层。
则可将其激发电离为二次电子，并以一定动能 EK(kinetic energy, EK) 逸出，可见信息产生是基于爱因斯坦光电效应。
电子能谱分析(1)
1.1.2 信息能量
为何电子能谱属于表面分析方法？你想知道的XPS和AES都在这里
为何电子能谱属于表面分析方法？你想知道的XPS和AES都在这里材料的表面分析技术主要有3种：俄歇电子能谱分析（AES）、X 射线光电子能谱分析(XPS) 、原子力显微镜（AFM），今天主要对比学习前两种。
什么是电子能谱分析法？电子能谱分析法是采用单色光源（如X射线、紫外光）或电子束去照射样品，使样品中电子受到激发而发射出来（这些自由电子带有样品表面信息），然后测量这些电子的产额（强度）对其能量的分布，从中获得有关信息的一类分析方法。
主要有：俄歇电子能谱分析（AES）、X射线光电子能谱分析(XPS) 、紫外光电子能谱（UPS）。
俄歇电子能谱法（AES）AES可以用于研究固体表面的能带结构、表面物理化学性质的变化（如表面吸附、脱附以及表面化学反应）；用于材料组分的确定、纯度的检测、材料尤其是薄膜材料的生长等。
俄歇电子能谱（Auger Electron Spectrometry，简称AES）是用具有一定能量的电子束(或X射线)激发样品俄歇效应，通过检测俄歇电子的能量和强度，从而获得有关材料表面化学成分和结构的信息的方法。
P. Auger 在1923 年发现了Auger效应.俄歇电子能谱分析的基本原理俄歇电子的产生和俄歇电子跃迁过程：一定能量的电子束轰击固体样品表面，将样品内原子的内层电子击出，使原子处于高能的激发态。
外层电子跃迁到内层的电子空位，同时以两种方式释放能量：发射特征X射线；或引起另一外层电子电离，使其以特征能量射出固体样品表面，此即俄歇电子。
俄歇电子跃迁过程俄歇电子跃迁过程能级图俄歇跃迁的方式不同，产生的俄歇电子能量不同。
上图所示俄歇跃迁所产生的俄歇电子可被标记为WXY跃迁。
如 KLL跃迁：K层电子被激发后，可产生KL1L1，KL1L2，KL2L3，…等K系俄歇电子。
俄歇电子能谱分析的依据俄歇电子的激发方式虽然有多种（如X射线、电子束等），但通常主要采用一次电子激发。
因为电子便于产生高束流，容易聚焦和偏转。
表面分析(四)俄歇电子能谱的应用
计数 / 任意单位
线扫描分析
Ag －Au/Si(111) Ag
Au 0 100 200 300 400 500 600 700
距离 / m
典型的俄歇线扫面分布图
面扫描分布图
俄歇电子能谱的面分布分析也可称为俄歇电子 能谱的元素分布的图像分析。它可以把某个元 素在某一区域内的分布以图像的方式表示出来， 就象电镜照片一样。只不过电镜照片提供的是 样品表面的形貌像，而俄歇电子能谱提供的是 元素的分布像。结合俄歇化学位移分析，还可 以获得特定化学价态元素的化学分布像。适合表面扩散等领域的研究。在常 规分析中，由于该分析方法耗时非常长，一般 很少使用。当我们把面扫描与俄歇化学效应相 结合，还可以获得元素的化学价态分布图。
从图上可见，当暴氧量 达到50 L时，Zn LVV 的线形就发生了明显的
变化。俄歇动能为 54.6eV的峰增强，而俄 歇动能为57.6eV的峰则 降低。表明有少量的 ZnO物种生成。随着暴 氧量的继续增加，Zn LVV线形的变化更加明 显，并在低能端出现新
的俄歇峰。表明有大量 的ZnO表面反应产物生 成。
原子摩尔百分数浓度
100
Si
80
SiO2 界面层
60 O
O
40
Si 20 PZT
O 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
溅射时间 / min
PZT/Si薄膜界面反应后的俄歇深度分析谱
微区分析
微区分析也是俄歇电子能谱分析的一个重 要功能，可以分为选点分析，线扫描分析 和面扫描分析三个方面。
离子束与固体表面发生相互作用，从而引起表 面粒子的发射，即离子溅射。对于常规的俄歇 深度剖析，一般采用能量为500 eV到5keV的 离子束作为溅射源。溅射产额与离子束的能量、 种类、入射方向、被溅射固体材料的性质以及 元素种类有关。多组分材料由于其中各元素的 溅射产额不同，使得溅射产率高的元素被大量 溅射掉，而溅射产率低的元素在表面富集，使 得测量的成分变化，该现象就称为“择优溅 射”。在一些情况下，择优溅射的影响很大。
材料分析测试方法试题及答案
材料分析测试方法试题及答案第一章电磁辐射与材料结构一、名词、术语、概念波数，分子振动，伸缩振动，变形振动（或弯曲振动、变角振动），干涉指数，晶带，原子轨道磁矩，电子自旋磁矩，原子核磁矩。
二、填空1、电磁波谱可分为3个部分：①长波部分，包括()与()，有时习惯上称此部分为()。
②中间部分，包括()、()和()，统称为()。
③短波部分，包括()和()（以及宇宙射线），此部分可称()。
答案：无线电波（射频波），微波，波谱，红外线，可见光，紫外线，光学光谱，某射线，射线，射线谱。
2、原子中电子受激向高能级跃迁或由高能级向低能级跃迁均称为()跃迁或()跃迁。
答案：电子，能级。
3、电子由高能级向低能级的跃迁可分为两种方式：跃迁过程中多余的能量即跃迁前后能量差以电磁辐射的方式放出，称之为()跃迁；若多余的能量转化为热能等形式，则称之为()跃迁。
答案：辐射，无辐射。
4、分子的运动很复杂，一般可近似认为分子总能量（E）由分子中各()，()及()组成。
答案：电子能量，振动能量，转动能量。
5、分子振动可分为()振动与()振动两类。
答案：伸缩，变形（或叫弯曲，变角）。
6、分子的伸缩振动可分为()和()。
答案：对称伸缩振动，不对称伸缩振动（或叫反对称伸缩振动）。
7、平面多原子（三原子及以上）分子的弯曲振动一般可分为()和()。
答案：面内弯曲振动，面外弯曲振动。
8、干涉指数是对晶面()与晶面()的标识，而晶面指数只标识晶面的（）。
答案：空间方位，间距，空间方位。
9、晶面间距分别为d110／2，d110/3的晶面，其干涉指数分别为()和()。
答案：220，330。
10、倒易矢量r某HKL的基本性质：r某HKL垂直于正点阵中相应的（HKL）晶面，其长度r某HKL等于(HKL)之晶面间距dHKL的()。
答案：倒数（或1/dHKL）。
11、萤石（CaF2）的（220）面的晶面间距d220=0.193nm，其倒易矢量r某220（）于正点阵中的（220）面，长度r某220=（）。
常用的表面分析技术有哪些？请选择两种说明分析技术的工作原理和应用范围
6、（20分）常用的表面分析技术有哪些？请选择两种说明分析技术的工作原理和应用范围。
答： 常用的表面分析技术有X 射线光电子能谱（XPS ）、俄歇电子能谱（AES ）、次级离子质谱（SIMS ）和离子散射谱（ISS ）等。
应用范围：（1）X 射线光电子能谱法工作原理：利用光电效应，基本方程为K B E hv E φ=--，式中，K E 为光电子动能，hv 为激发光能量，B E 是固体中电子结合能，φ为逸出功。
用X 射线去辐射样品，使原子或分子的内层电子或价电子受激发射出来。
被光子激发出来的电子称为光电子。
可以测量光电子的能量，以光电子的动能/束缚能为横坐标，相对强度（脉冲/s ）为纵坐标可做出光电子能谱图。
从而获得试样有关信息。
应用范围：a 元素定性分析 各种元素都有它的特征的电子结合能，因此在能谱图中就出现特征谱线，可以根据这些谱线在能谱图中的位置来鉴定周期表中除 H 和 He 以外的所有元素。
通过对样品进行全扫描，在一次测定中就可以检出全部或大部分元素。
b 元素定量分折 X 射线光电子能谱定量分析的依据是光电子谱线的强度(光电子蜂的面积)反映了原于的含量或相对浓度。
在实际分析中，采用与标准样品相比较的方法来对元素进行定量分析，其分析精度达 1 ％～ 2 ％。
c 固体表面分析 固体表面是指最外层的 1 ～ 10 个原子层，其厚度大概是 (0.1~1) n nm 。
人们早已认识到在固体表面存在有一个与团体内部的组成和性质不同的相。
表面研究包括分析表面的元素组成和化学组成，原子价态，表面能态分布。
测定表面原子的电子云分布和能级结构等。
X 射线 光电子能谱是最常用的工具。
在表面吸附、催化、金属的氧化和腐蚀、半导体、电极钝化、薄膜材料等方面都有应用。
d 化合物结构签定 X 射线光电子能谱法对于内壳层电子结合能化学位移的精确测量，能提供化学键和电荷分布方面的信息。
(2)次级离子质谱（SIMS ）工作原理：以离子轰击固体表面，再将从表面溅射出来的次级离子引入质量分析器,经过质量分离后从检测-记录系统得出被分析表面的元素或化合物的组分。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
《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。