XPS原理及分析课件

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• 光电子发射示意图
光电子动能: Ek= hμ- Eb-Φsp
( Φsp是功函数)
• 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。在入射光子能量一定的条件下,同一原子中半 径越小的壳层s越大;电子结合能与入射光子能量越接近s越 大。对不同原子同一壳层的电子,原子序数越大,光电效应 截面s越大。
旋转取向;与上述3个量子数无关。
–电子的轨道运动和自旋运动间存在电磁相互作用, 即:自旋-轨道耦合作用的结果使其能级发生分
裂,对l >0的内壳层来说,这种分裂可用内量子 数j表示(j =| l+ ms |= | l ± 1/2 |) • 若l =0,则j = 1/2 ;
• 若l =1,则j = l ± 1/2 = 3/2或1/2 ;
1、光电效应
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。
仪器说明
仪器名称:X射线光电子能谱仪 产品型号:Kratos AXIS Ultra DLD 生产厂家:日本岛津-KRATOS公司
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
所谓某原子所处化学环境不同,一是指与它结合的元 素种类和数量不同,二是指原子具有不同的价态。
原子内壳层电子的结合能随原子氧化态的增高而增大; 氧化态愈高,化学位移也愈大。
三、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
• 在给定壳层的能级上, l 电子能量略
–磁量子数ml :决定电子云在空间的伸展
方向(取向);
• 给定l 后, ml 取+l 和-l 之间的任何整数, ml =l, l-1, …, 0, -1, …, - l ;
• 若l =0,则ml =0;若l =1,则ml =1,0,-1。
–自旋量子数ms :表示电子绕其自身轴的
• n =1, 2, 3, …;通常以K(n=1), L(n=2),M(n=3)…表

• 相同的n表示相同的电子壳层
–角量子数l :决定电子云的几何形状;不同的l将
Leabharlann Baidu电子壳层分成几个亚层,即能级。
• L与n有关,给定n后, l=0, 1, 2,…,( n -1);通 常以s(l=0), p(l=1), d(l=2), f(l=3), …表示
• 典型谱图
Fe的清洁表面
• 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
• 除s亚壳层不发生自旋分裂外,凡l >0的各亚
壳层都将分裂成两个能级XPS出现双峰
自旋——轨道劈裂
自旋-轨道劈裂
l=1 l=3
l=0
l=2
3、电子结合能
一个自由原子或离子的结合能,等于将此电子从所 在的能级转移到无限远处所需的能量。
4、XPS信息深度
5、化学位移
同种原子由于处于不同的化学环境,引起内壳层电子结 合能的变化,在谱图上表现为谱线的位移,这种现象称为化 学位移。
二、X射线光电子能谱分析的基本原理
电子能谱分析是一种研究物质表层元素组成与离 子状态的表面分析技术,其基本原理是用单色射线照 射样品,使样品中原子或分子的电子受激发射,然后 测量这些电子的能量分布。通过与已知元素的原子或 离子的不同壳层的电子的能量相比较,就可确定未知 样品表层中原子或离子的组成和状态。
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
元素 Li Be B C N O F Na Mg
s 1.1 4.2 11 22 40 64 100 195 266
2、原子能级的划分
• 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
X射线光电子能谱分析
一、概述
• X射线光电子谱是重要的表面分析技术之一。它不 仅能探测表面的化学组成,而且可以确定各元素 的化学状态,因此,在化学、材料科学及表面科 学中得以广泛地应用。
• X射线光电子能谱是瑞典Uppsala大学K.Siegbahn 及其同事经过近20年的潜心研究而建立的一种分 析方法。他们发现了内层电子结合能的位移现象, 解决了电子能量分析等技术问题,测定了元素周 期表中各元素轨道结合能,并成功地应用于许多 实际的化学体系,K.Siegbahn因此获1981诺贝尔奖。
– Mg/Al双阳极x射线源
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
半球形电子能量分析器
Eb 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。
四、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 谱峰直接代表原子轨道的结合能
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