XPS原理及分析课件
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XPS仪器及基础分析讲义ppt课件
➢ 当元素处于化合物状态时，与纯元素相比，电子的 结合能有一些小的变化，称为化学位移，表现在电 子能谱曲线上就是谱峰发生少量平移。测量化学位 移，可以了解原子的状态和化学键的情况。
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19
XPS的应用
➢结构分析
有机结构分析 表面分析 生物大分子结构分析 高分子结构分析 催化剂表面分析 环境污染物结构分析
➢ 深度剖析不仅能给出元素的深度分布，同时也能给 出某一元素的化学状态随深度变化的情况．这种情 况能反映出一些钝化膜主要成分的性质与抗腐能力 的关系．
➢ 下面以A1—Cu合金材料表画钝化膜的深度剖析研究为例， 介绍一下XPS深度剖析在合金材料表面膜深度剖析中的应用.
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25
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➢电子检测系统及基于PC机或工作站的服务性 数据处理系统，两者同时控制谱仪成
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7
➢图14画出了X射线光电子能谱仪的基本组成 部分。谱仪的作用过程是：产生很强的X射线， 照射样品使内层电子产生光致发射，把发射 的电子引入能量分析器，探测经过能量分析 的电子，并输出一个与电子结合能呈函数关 系的信号。
➢ 如果需要深度分布信息，那么最好是方法本身就具 有深度分析能力。然而，如要测量产生微弱信号的 痕量物质．那么，在一个不随实验时间变化的表面 上能够取得信号的平均值大概就是非常可贵的了。 当实在要求深度分布信息时，可以使用带有溅射装 置的化学分析光电子能谱。为某一特殊应用选择实 验方法时，总耍考虑由它们组合起来的一些折衷方 案。
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17
化学位移效应
➢需指出的是，除了由于原子周围的化学环境 的改变引起光电子峰位移外，样品的荷电效 应同样会影响谱峰位移，从而影响电子结合 能的正确测量。
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19
XPS的应用
➢结构分析
有机结构分析 表面分析 生物大分子结构分析 高分子结构分析 催化剂表面分析 环境污染物结构分析
➢ 深度剖析不仅能给出元素的深度分布，同时也能给 出某一元素的化学状态随深度变化的情况．这种情 况能反映出一些钝化膜主要成分的性质与抗腐能力 的关系．
➢ 下面以A1—Cu合金材料表画钝化膜的深度剖析研究为例， 介绍一下XPS深度剖析在合金材料表面膜深度剖析中的应用.
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➢电子检测系统及基于PC机或工作站的服务性 数据处理系统，两者同时控制谱仪成
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7
➢图14画出了X射线光电子能谱仪的基本组成 部分。谱仪的作用过程是：产生很强的X射线， 照射样品使内层电子产生光致发射，把发射 的电子引入能量分析器，探测经过能量分析 的电子，并输出一个与电子结合能呈函数关 系的信号。
➢ 如果需要深度分布信息，那么最好是方法本身就具 有深度分析能力。然而，如要测量产生微弱信号的 痕量物质．那么，在一个不随实验时间变化的表面 上能够取得信号的平均值大概就是非常可贵的了。 当实在要求深度分布信息时，可以使用带有溅射装 置的化学分析光电子能谱。为某一特殊应用选择实 验方法时，总耍考虑由它们组合起来的一些折衷方 案。
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化学位移效应
➢需指出的是，除了由于原子周围的化学环境 的改变引起光电子峰位移外，样品的荷电效 应同样会影响谱峰位移，从而影响电子结合 能的正确测量。
XPS方法原理与仪器分析ppt课件
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6、X轴：点A(X)，再点右键，然后点set column values，出 现一个对话框，在from中填1，在to中填401(通道数)，在 col(A)中填BE始-0.05*(i-1)， 或直接填1486.6-KE始- 0.05*(i-1)，最后点do it。
7、此时即可以作出N1s谱图。 8、画出来的图有可能有一些尖峰，那是脉冲，应把它们去
结合能校准：标准样品测定化学位移——谱图上测量峰位 位移、测量双峰间的距离变化、测量半峰高宽变化；
* 成分深度的分析能力
1、变角XPS深度分析：利用采样深度的变化获得元素浓度与
深度的对应关系；非破坏性分析；适用于1—5nm表面层；
2、Ar离子剥离深度分析：交替方式-循环数依据薄膜厚度及
深度分辨率而定；破坏性分析；.
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3、再下面一个数据是步长值，如0.05或0.1或1， 每张谱图间有可能不一样。
4、继续向下,可以找到401或801这样的数，该数 为通道数，即有401或801个数据点。
5、再下面的数据开始两个数据是脉冲，把它们舍 去，接下来的401或801个数据都是Y轴数据， 将它们copy到B(Y)。
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5、拟合：选好所需拟合的峰个数及大致参数后，点 Optimise region进行拟合，观察拟合后总峰与原始峰 的重合情况，如不好，可以多次点Optimise region。
6、参数查看：拟合完成后，分别点另一个窗口中的
Rigion Peaks下方的0、1、2等可看每个峰的参数，
第六章
➢ X射线光电子谱是重要的表面分析技术之一。它不仅 能探测表面以及深度的化学组成，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。
最新第八章 X射线光电子能谱(XPS) 有机波谱分析课件ppt课件
➢ 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。
三氟化乙酸乙脂中四个不同C原子的C1s谱线。
诊断标准
下列症状中三项： ①发热 ②咽峡炎 ③颈淋巴结肿大 ④肝脏肿大 ⑤脾脏肿大
X-ray penetration depth ~1mm. Electrons can be excited in this entire volume.
Electrons are extracted only from a narrow solid angle.
10 nm 1 mm2
X-ray excitation area ~1x1 cm2. Electrons are emitted from this entire area
– EB病毒感染可导致免疫功能紊乱，发生与免疫系统功能紊乱相 关的多种疾病如淋巴瘤、传染性单核细胞增多症及类风湿关节 炎等 。
流行病学
传染源：带病毒者及病人为本病的传染源。 传播途径：经口鼻密切接触为主要传播途径，也可经飞沫（次要）
及输血传播（偶可发生）。 易感人群：人群普遍易感。但儿童青少年更多见。病后可获得持
久免疫，第二次发病不常见。
病因学
EB病毒为本病的病原，电镜下EB病毒的形态 结构与疱疹病毒组的其他病毒相似，但抗原性 不同。EB病毒为DNA病毒。
发病机理
EBV B淋巴细胞受体
咽扁桃体B淋巴细胞和 口腔上皮细胞
复制
细胞破坏
B淋巴细胞血液 唾液腺（腮腺）
三氟化乙酸乙脂中四个不同C原子的C1s谱线。
诊断标准
下列症状中三项： ①发热 ②咽峡炎 ③颈淋巴结肿大 ④肝脏肿大 ⑤脾脏肿大
X-ray penetration depth ~1mm. Electrons can be excited in this entire volume.
Electrons are extracted only from a narrow solid angle.
10 nm 1 mm2
X-ray excitation area ~1x1 cm2. Electrons are emitted from this entire area
– EB病毒感染可导致免疫功能紊乱，发生与免疫系统功能紊乱相 关的多种疾病如淋巴瘤、传染性单核细胞增多症及类风湿关节 炎等 。
流行病学
传染源：带病毒者及病人为本病的传染源。 传播途径：经口鼻密切接触为主要传播途径，也可经飞沫（次要）
及输血传播（偶可发生）。 易感人群：人群普遍易感。但儿童青少年更多见。病后可获得持
久免疫，第二次发病不常见。
病因学
EB病毒为本病的病原，电镜下EB病毒的形态 结构与疱疹病毒组的其他病毒相似，但抗原性 不同。EB病毒为DNA病毒。
发病机理
EBV B淋巴细胞受体
咽扁桃体B淋巴细胞和 口腔上皮细胞
复制
细胞破坏
B淋巴细胞血液 唾液腺（腮腺）
《X射线光电子谱XPS》课件
《X射线光电子谱XPS》 PPT课件
本课件详细介绍了X射线光电子谱XPS的原理、应用、实验流程、数据解释、 及未来发展趋势。深入浅出，易于理解。
什么是XPS?
XPS的定义
X射线光电子谱是利用X射线 的照射和物质的电子辐射， 研究物质表面元素及其化学 状态的一种表面分析技术。
XPS的原理
通过能量分辨光电子能谱计 测量电子能量，根据不同元 素的电离能将电子能量与所 在元素关联。谱峰位置与元 素化学状态相关。
包括X射线光学模拟、图像处理、数据分析算 法、峰形拟合等技术的创新，使XPS的分析能 力和速度更加强大。
总结
XPS的优势和不足
优势是可以研究表面元素、化学状态和赋存量， 不足是分析深度受限。
XPS在实践中的应用前景
在表面化学、材料科学、 突破和创新。
XPS的应用领域
材料科学、表面化学、生物医学、 环境地球化学、微电子工程等。
XPS实验流程
1
样品的制备
准备好需要分析的样品，保证样品表面干净，无油污、附着物等。
2
XPS扫描仪的使用
使用XPS扫描仪进行表面分析，注意扫描参数的设置。
3
数据检测和分析
对得到的XPS图谱进行有效的数据处理和分析，得到所需要的信息。
XPS测量的基本过程
样品的表面被X射线照射，表 面元素在吸收X射线时会释放 出光电子，探测器捕获光电 子并测量能量分布，形成XPS 光电子能谱。
XPS的应用
XPS的优势
可以研究化学计量比、化学键状 态、元素的赋存量和分布、样品 表面的微区化学成分等。
XPS的局限性
只适用于分析表面层，分析深度 受限，不能对物质的内部进行分 析。
XPS谱图解析
本课件详细介绍了X射线光电子谱XPS的原理、应用、实验流程、数据解释、 及未来发展趋势。深入浅出，易于理解。
什么是XPS?
XPS的定义
X射线光电子谱是利用X射线 的照射和物质的电子辐射， 研究物质表面元素及其化学 状态的一种表面分析技术。
XPS的原理
通过能量分辨光电子能谱计 测量电子能量，根据不同元 素的电离能将电子能量与所 在元素关联。谱峰位置与元 素化学状态相关。
包括X射线光学模拟、图像处理、数据分析算 法、峰形拟合等技术的创新，使XPS的分析能 力和速度更加强大。
总结
XPS的优势和不足
优势是可以研究表面元素、化学状态和赋存量， 不足是分析深度受限。
XPS在实践中的应用前景
在表面化学、材料科学、 突破和创新。
XPS的应用领域
材料科学、表面化学、生物医学、 环境地球化学、微电子工程等。
XPS实验流程
1
样品的制备
准备好需要分析的样品，保证样品表面干净，无油污、附着物等。
2
XPS扫描仪的使用
使用XPS扫描仪进行表面分析，注意扫描参数的设置。
3
数据检测和分析
对得到的XPS图谱进行有效的数据处理和分析，得到所需要的信息。
XPS测量的基本过程
样品的表面被X射线照射，表 面元素在吸收X射线时会释放 出光电子，探测器捕获光电 子并测量能量分布，形成XPS 光电子能谱。
XPS的应用
XPS的优势
可以研究化学计量比、化学键状 态、元素的赋存量和分布、样品 表面的微区化学成分等。
XPS的局限性
只适用于分析表面层，分析深度 受限，不能对物质的内部进行分 析。
XPS谱图解析
表界面分析(XPS)ppt课件
一般来讲，当外层电子密度减少时，电子屏蔽作用减 弱，内层电子结合能增加；反之减少。
② 可用电荷势能模型解释。设有两个原子 A和B，当相距很远时，无化学位移可 言。当两者靠近时，设A的一个价电子 向B转移，表示如下：A+B → A+B-
• 式中，A+的价电子层较A失去一个电子 ，XPS测定A+的电子结合能较A升高E ，元素即的化化学学价位态移分正析是向XP移S分动析的E最重；要B的-应的用价之电一。 子层较B得到一个电子，XPS测得的B-
一、XPS概述
• XPS是用一束特征波长(能量hν)的X射线，激 发材料中有关原子轨道的电子，被击出的 电子成为光电子，光电子的动能(Ek)大小与 具体元素及其轨道结合能(Eb)存在对应关系 ，三者满足Einstein光电发射定律：
• E = hν- E
• 对于导电固体，Ek = hν- EB- Ws • 对于非导电固体，Ek = hν- EB- Ws+Ec
通常：取样深度 d = 3 ；
③ XPS电子的结合能:
• 结合能是指在某一元素的原子结构中某 一轨道电子和原子核结合的能量。结合 能与元素种类以及所处的原子轨道有关 ，能量是量子化的。结合能反映了原子 结构中轨道电子的信息。
• 对于气态分子，结合能就等于某个轨道
பைடு நூலகம்
• 结合能的理想解释
1. 光子和原子碰撞产生相互作用 2. 原子轨道上的电子被激发出来 3. 激发出的电子克服仪器功函进
， a) 主量子数小的壳层的峰比主量子数大的峰强，1s>2s谱带强度
； b) 同一壳层，角量子数大者峰强；
（4）固体表面谱线展宽：由于激发态寿 命的不确定性引起谱线展宽，寿命展宽约 为0.05~5eV。来自高结合能的内能级光 电发射的寿命展宽大于低结合能的价带光 发射。
② 可用电荷势能模型解释。设有两个原子 A和B，当相距很远时，无化学位移可 言。当两者靠近时，设A的一个价电子 向B转移，表示如下：A+B → A+B-
• 式中，A+的价电子层较A失去一个电子 ，XPS测定A+的电子结合能较A升高E ，元素即的化化学学价位态移分正析是向XP移S分动析的E最重；要B的-应的用价之电一。 子层较B得到一个电子，XPS测得的B-
一、XPS概述
• XPS是用一束特征波长(能量hν)的X射线，激 发材料中有关原子轨道的电子，被击出的 电子成为光电子，光电子的动能(Ek)大小与 具体元素及其轨道结合能(Eb)存在对应关系 ，三者满足Einstein光电发射定律：
• E = hν- E
• 对于导电固体，Ek = hν- EB- Ws • 对于非导电固体，Ek = hν- EB- Ws+Ec
通常：取样深度 d = 3 ；
③ XPS电子的结合能:
• 结合能是指在某一元素的原子结构中某 一轨道电子和原子核结合的能量。结合 能与元素种类以及所处的原子轨道有关 ，能量是量子化的。结合能反映了原子 结构中轨道电子的信息。
• 对于气态分子，结合能就等于某个轨道
பைடு நூலகம்
• 结合能的理想解释
1. 光子和原子碰撞产生相互作用 2. 原子轨道上的电子被激发出来 3. 激发出的电子克服仪器功函进
， a) 主量子数小的壳层的峰比主量子数大的峰强，1s>2s谱带强度
； b) 同一壳层，角量子数大者峰强；
（4）固体表面谱线展宽：由于激发态寿 命的不确定性引起谱线展宽，寿命展宽约 为0.05~5eV。来自高结合能的内能级光 电发射的寿命展宽大于低结合能的价带光 发射。
《现代分析XPS》课件
XPS未来的发展
1
技术发展趋势
展望XPS技术的未来，如高通量XPS、原位XPS和时间分辨XPS。
2
研究前景
探索XPS在不同领域的前景，如能源材料、纳米技术和生物医学诊断。
总结
1 优缺点总结
2 研究中的意义
总结XPS的优点和挑战， 为科学家和研究人员提 供全面的评估。
强调XPS在科学研究中 的重要性，为解决实际 问题提供有力支持。
3 应用前景
展望XPS在材料科学、 化学和生物医学领域的 广阔应用前景。
现代分析XPS PPT课件
介绍现代分析XPS的课件，深入浅出地介绍X射线光电子能谱（XPS）的原理、 技术细节、应用以及未来的发展趋势。
简介
XPS是什么？为什么需要XPS？了解X射线光电子能谱的基本概念和它在材料研 究、化学研究和生物医学研究中的重要性。
XPS基础
1 原理
深入探索XPS的原理， 了解光子与材料之间的 相互作用过程。
2 优点
发现XPS的优点，如高 灵敏度、高分辨率和无 需标记样品。
3 挑战
探讨XPS存在的挑战， 如表面污染和杂质对信 号的影响。
XPS技术细节
样品制备
详细介绍XPS样品制备的步骤 和技术，确保获得准确和可 重复的数据。
仪器特点
探讨XPS仪器的关键特点，如 X射线源、光电子能谱仪和能 量分辨探测器。
数据处பைடு நூலகம்方法
介绍处理XPS数据的方法，包 括能级校正、数据拟合和元 素定量分析。
XPS在实验中的应用
材料研究
探索XPS在材料研究中的广泛应用，如表面分析、界面反应和薄膜研究。
化学研究
揭示XPS在化学研究中的重要性，如催化剂研究、化学反应动力学和表面电化学。
X射线光电子能谱(XPS)课件
表面分析
利用XPS对样品表面进行深度剖析， 了解表面元素的化学状态和组成， 为材料科学、环境科学等领域提供 有力支持。
05
XPS与其他分析方法的比 较
XPS与AES的比较
总结词
XPS和AES都是表面分析技术，但它们的工 作原理和应用范围有所不同。
详细描述
XPS（X射线光电子能谱）和AES（原子发 射光谱）都是表面分析技术，用于确定样品 表面的元素组成。然而，它们的工作原理和 应用范围有所不同。XPS主要测量的是光电 子的能量分布，可以提供元素种类、化学态 和电子态的信息。而AES则通过测量原子发 射出来的特征光谱来分析元素组成。在应用 方面，XPS更适用于轻元素的分析，而AES 更适用于重元素的分析。
02
XPS仪器设备
XPS仪器结构
01
02
03
04
发射源
X射线管，用于产生X射线。
真空系统
确保实验室内高真空度，以减 少气体对光电子的散射。
能量分析器
用于检测和测量光电子的能量 。
探测器
用于收集光电子，并将其转换 为电信号。
XPS仪器操作流程
样品安装
将样品放置在样品 台上，并确保稳定 固定。
数据采集
开发多元素同时分析的XPS技术， 能够快速获取样品中多种元素的
化学信息，提高分析效率。
XPS在各领域的应用前景
环境监测
生物医学研究
利用XPS技术对大气、水体、土壤等环境中 的有害物质进行快速、准确检测，为环境 保护和治理提供有力支持。
通过XPS技术对生物样品进行无损检测，有 助于深入了解生物分子结构和功能，推动 生物医学领域的发展。
数据采集
按照设定的参数进行测量，并 采集光谱数据。
利用XPS对样品表面进行深度剖析， 了解表面元素的化学状态和组成， 为材料科学、环境科学等领域提供 有力支持。
05
XPS与其他分析方法的比 较
XPS与AES的比较
总结词
XPS和AES都是表面分析技术，但它们的工 作原理和应用范围有所不同。
详细描述
XPS（X射线光电子能谱）和AES（原子发 射光谱）都是表面分析技术，用于确定样品 表面的元素组成。然而，它们的工作原理和 应用范围有所不同。XPS主要测量的是光电 子的能量分布，可以提供元素种类、化学态 和电子态的信息。而AES则通过测量原子发 射出来的特征光谱来分析元素组成。在应用 方面，XPS更适用于轻元素的分析，而AES 更适用于重元素的分析。
02
XPS仪器设备
XPS仪器结构
01
02
03
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发射源
X射线管，用于产生X射线。
真空系统
确保实验室内高真空度，以减 少气体对光电子的散射。
能量分析器
用于检测和测量光电子的能量 。
探测器
用于收集光电子，并将其转换 为电信号。
XPS仪器操作流程
样品安装
将样品放置在样品 台上，并确保稳定 固定。
数据采集
开发多元素同时分析的XPS技术， 能够快速获取样品中多种元素的
化学信息，提高分析效率。
XPS在各领域的应用前景
环境监测
生物医学研究
利用XPS技术对大气、水体、土壤等环境中 的有害物质进行快速、准确检测，为环境 保护和治理提供有力支持。
通过XPS技术对生物样品进行无损检测，有 助于深入了解生物分子结构和功能，推动 生物医学领域的发展。
数据采集
按照设定的参数进行测量，并 采集光谱数据。
XPS原理及分析ppt课件
• 扫描时间长 • 通过能小 • 扫描步长小 • 扫描期间几十电子伏特内 • 以强光电子线为主 – 得到的是谱线的精细结构：
• 离子价态分析：
– 铜红玻璃与CuO不相似； – 铜红玻璃与CuCl相似
• 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旋 转取向；与上述3个量子数无关。
A、光电子线 最强的光电子线常常是谱图中强度最大、峰宽最小、对称性
最好的谱峰，称为xps的主线。每一种元素都有自己最强的、具 有表征作用的光电子线，它是元素定性分析的主要依据。
Ti及TiO2中2p3/2峰的峰位及2p1/2和2p3/2之间的距离
B、俄歇线
– 原子中的一个内层电子光致 电离射出后，内层留下一空 穴，原子处于激发态。激发 态离子要向低能转化而发生 驰豫；驰豫通过辐射跃迁释 放能量。
Co－Ni－Al多层磁带材料
耗时36h
XPS：应用
• 表面全元素分析 （全谱）：
– 存在：Ti, O, Si, C;
– Si的来源，可能：
• 涂层太薄（<10nm） • 热处理使基体扩散
→涂层变薄
– C的来源，可能：
• 溶胶 • 谱仪油污染碳
二氧化钛涂层玻璃 （溶胶－凝胶）
• 表面窄区谱分析：
– 分谱分析或高分辨谱分析 – 特点：
XPS：定性分析方法
• 首先标识那些总是出现的谱线，e.g. C1s, CKLL, O1s, OKLL, O2s, x射线卫星峰和能量损失线；
• 离子价态分析：
– 铜红玻璃与CuO不相似； – 铜红玻璃与CuCl相似
• 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旋 转取向；与上述3个量子数无关。
A、光电子线 最强的光电子线常常是谱图中强度最大、峰宽最小、对称性
最好的谱峰，称为xps的主线。每一种元素都有自己最强的、具 有表征作用的光电子线，它是元素定性分析的主要依据。
Ti及TiO2中2p3/2峰的峰位及2p1/2和2p3/2之间的距离
B、俄歇线
– 原子中的一个内层电子光致 电离射出后，内层留下一空 穴，原子处于激发态。激发 态离子要向低能转化而发生 驰豫；驰豫通过辐射跃迁释 放能量。
Co－Ni－Al多层磁带材料
耗时36h
XPS：应用
• 表面全元素分析 （全谱）：
– 存在：Ti, O, Si, C;
– Si的来源，可能：
• 涂层太薄（<10nm） • 热处理使基体扩散
→涂层变薄
– C的来源，可能：
• 溶胶 • 谱仪油污染碳
二氧化钛涂层玻璃 （溶胶－凝胶）
• 表面窄区谱分析：
– 分谱分析或高分辨谱分析 – 特点：
XPS：定性分析方法
• 首先标识那些总是出现的谱线，e.g. C1s, CKLL, O1s, OKLL, O2s, x射线卫星峰和能量损失线；
XPS基本原理PPT课件
•28.03.2024
•11
两种模型
原子势能模型：
EB = Vn + Vv
Vn--核势 Vv--价电子排斥势
电荷势模型：
•28.03.2024
•12
三.原子能级的划分
➢ 原子中单个电子的运动状态可以用量子数n，
ι ， m ,1 m l
➢ n：主量子数（表示电子层）
1,2,3……即K,L,M……
ι： 角量子数（决定电子云形状）
•15
四.电子结合能
➢ (1)一个自由原子或者离子的结合能，等于 将此电子从所在的能级转移到无限远处所 需要的能量
(2)对于固体材料，电子的结合能定义为把 电子从所在的能级转移到费米能级
•28.03.2024
•16
E F 是费米能级。固体样
品通过样品台同仪器室接
触良好，并且一同接地。
因此，它们具有相同的费 米能级
•28.03.2024
•8
电 离 过 程
X 荧 光 过 程
俄 歇 过 程
•28.03.2024
•9
二.结合能与化学位移 结合能：初态原子和终态原子间能量的简单差 EB = Ef(n-1) – Ei(n)
初态效应：光电发射之前原子的基态对结合能的影响
化学位移：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
EK = hν − EB 结合能定义：
•28.03.2024
•5
电离过程——hν → A+* + e−
1 光电离有别于光吸收或发射的共振跃迁,超过电离的阈值能量的 光子能够引起同样的电离过程过量的能量将传给电子以动能的 形式出现
2 光电子强度正比于整个过程发生的几率（后者常称为电离截面σ）
XPS分析价态ppt课件
52.5
49.3 49.3 48.3 48.4
22
XPS X射线光电子谱基本原理
结合能参照基准
在用XPS测定内层电子结合能与理论计算结果进 行比较时，必须有一共同的结合能参照基准。
对于孤立原子，轨道结合能的定义为把一个电子 从轨道移到核势场以外所需的能量，即以“自由 电 子 能 级 ” 为 基 准 的 。 在 XPS 中 称 这 一 基 准 为 “真空能级”，它同理论计算的参照基准是一致 的。
Kinetic Energy
EV
EF
Binding Energy
Characteristic Photoelectron
Valance band
h
Core levels
4
XPS 光电效应
光电效应
根据Einstein的能量关系式有： h = EB + EK
其中 为光子的频率，EB 是内层电子的轨道结合能，EK 是
绝热近似认为，电子从内壳层出射，结果使原来 体系的平衡势场破坏，离子处于激发态。这时轨 道电子结构将作出调整，电子轨道半径会出现收 缩或膨涨，这一过程叫“电子弛豫”。
17
XPS X射线光电子谱基本原理
绝热近似
弛豫的结果使离子回到基态，释放出弛豫能Erelax。
因弛豫过程与光电子发射同时进行，所以加速了 光电子的发射，提高了光电子动能。因此有
O
19.3 3.6 3.2
F
22.1 4.1 3.9
Ne
24.8 4.8 4.7
Na
24.0 4.1 4.4
20
XPS X射线光电子谱基本原理
绝热近似
原子
1s
2s
《XPS分析价态》课件
读。
03
XPS价态分析实例
金属氧化物的价态分析
总结词
金属氧化物的价态分析是XPS应用的重要领域之一，通过XPS分析可以确定金属氧化物的元素组成和化学态。
详细描述
XPS技术可以检测到金属氧化物中金属元素和氧元素的电子结构和化学键合状态，从而确定金属氧化物的价态。 例如，铁的氧化物Fe2O3和Fe3O4的价态可以通过XPS分析得到准确鉴定。
半导体材料的价态分析
总结词
半导体材料的价态分析是XPS在材料科学 领域的重要应用之一，通过XPS分析可以 了解半导体的电子结构和能带结构。
VS
详细描述
XPS技术可以检测到半导体材料中元素组 成和化学态，从而确定半导体的价态和能 带结构。例如，硅和锗的价态可以通过 XPS分析得到准确鉴定，这对于研究半导 体的光电性能和电子传输特性具有重要意 义。
XPS技术的发展经历了多个阶段，包括从早期的单色光源 到现在的多色光源，从早期的单能分析到现在的宽范围能 谱分析等。随着技术的不断进步，XPS的分辨率和灵敏度 也在不断提高，使得该技术在更多领域得到应用。
02
XPS价态分析方法
价态分析的基本概念
价态分析
通过对物质表面元素不同化学环境下的电子结构 进行分析，研究元素在特定环境下的化学状态。
实验操作
将样品置于X射线源下， 记录不同元素在不同化学 环境下的电子结合能数据 。
价态分析的解析方法
谱峰拟合
01
对实验获得的谱峰进行拟合，分离出不同化学环境下的元素信
号。
化学位移计算
02
根据实验数据计算元素的化学位移，并对比标准数据进行价态
判断。
结果解读
03
结合实验数据和化学位移计算结果，对元素价态进行分析和解
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• 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。
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。
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
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 ;
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
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。
• 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。
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
示
定电子云的几何形状；不同的l将
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
– 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
• 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
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。
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。
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
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 ;
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
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。
• 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。
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
示
定电子云的几何形状；不同的l将
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
– 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
• 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