材料测试分析方法131XPS
环境材料分析方法课件-XPS
Cu 3p Au 4f7/2 Ag 3d5/2 Cu L3MM Cu 2p3/2 Ag M4NN
75.140.02 83.980.02 368.270.02 567.970.02 932.670.02 1128.790.02
75.130.02 84.000.01 368.290.01 334.950.01 932.670.02 895.760.02
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8.8 表面元素分布或图形化表征
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8.8 表面元素分布或图形化表征
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X射线光电子能谱法的特点：
①是一种无损分析方法(样品不被X射线分解)； ②是一种超微量分析技术(分析时所需样品量少)； ③是一种痕量分析方法(绝对灵敏度高)。 但X射线光电子能谱分析相对灵敏度不高，只能检测
CoOMoO3 / MgO Al2O3 CO H2O H2 CO2
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8.3 表面元素化学态测定
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8.3 表面元素化学态测定
化学态 不仅仅 是价态
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8.3 表面元素化学态测定
应用于： 催化剂活性成份、组分间相互作用机理、 失效机理； 表面反应，表面改性； 表面工程； 腐蚀与防护。
X射线一般不是单 一的特征X射线，而 是还存在一些能量略 高的小伴线，所以导
致XPS中，除K1,2所
激发的主谱外，还有 一些小峰。
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6.4.2 鬼峰（ghost peaks）
由于X射源的阳极可能不纯或被污染， 则产生的X射线不纯。因非阳极材料X射线 所激发出的光电子谱线被称为“鬼峰”。
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6.4.3 能量损失峰
C NH
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8.4 表面修饰和改性 心脏瓣膜用肝磷酯处理
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XPS数据分析方法
XPS数据分析方法XPS数据分析方法指的是通过使用X射线光电子能谱（XPS）来研究材料表面元素的组成、化学状态、分布以及电荷状态等信息的一种分析方法。
XPS是一种非破坏性的表面分析技术，主要用于材料科学、化学、物理、能源等领域的表面和界面分析。
下面是关于XPS数据分析方法的一些内容。
1.XPS原理XPS是基于光电离现象的一种分析技术。
当实验样品暴露在具有一定能量的X射线束下时，样品表面的原子会被激发，其中部分电子会被激发到费米能级以上，形成X射线光电子。
这些光电子经电场作用会被收集并形成能谱。
通过分析能谱可以得到样品表面元素的信息。
2.XPS数据处理XPS实验获得的原始数据包含了来自不同元素的能量信号，以及其他噪声信号。
数据处理旨在提取出有用的能量信号，并将其定性和定量分析。
常见的数据处理步骤包括信号峰形辨认、能量校正、背景修正和分峰拟合等。
3.峰形辨认峰形辨认是将实验数据中的峰与相应的元素进行匹配的过程。
每个元素具有特定的光电子能量，因此可以通过比较实验获得的能谱与已知元素的能谱进行匹配，确定元素的存在。
4.能量校正能谱中的能量量度需要进行校正，以获得准确的能谱峰位置。
能量校正的常用方法是通过硬币吸收边界（coinicidence absorption edge）或内部参考能谱进行校正。
这样可以消除能量测量中的偏差。
5.背景修正实验信号中常常会包含一些背景信号，如弹性散射信号、底部信号等。
这些背景信号对于准确的数据分析来说是干扰因素，需要进行背景修正。
背景修正的方法可以是线性背景修正或曲线拟合法。
6.分峰拟合分峰拟合是基于已知的能量峰进行曲线拟合，以确定元素在样品中的化学状态和相对丰度。
常见的拟合函数包括高斯函数、洛伦兹函数和Pseudo-Voigt函数等。
7.数据分析通过对能谱的峰进行定量分析，可以获得材料表面元素的组成和相对丰度。
此外，还可以通过分析峰的形状和位置得到元素的化学状态信息。
通过与已知物质的对比，可以推测样品的化学成分，并深入了解材料的特性。
材料测试分析方法-13-1(XPS)
《材料分析测试方法》
1. 样品的尺寸
在实验过程中样品通过传递杆，穿过超高真空隔离阀， 在实验过程中样品通过传递杆，穿过超高真空隔离阀， 送进样品分析室。因此，样品尺寸必须符合一定规范。 送进样品分析室。因此，样品尺寸必须符合一定规范。 对于块体样品和薄膜样品，其长宽最好小于 对于块体样品和薄膜样品，其长宽最好小于10mm, 高度小于5 高度小于 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。但在制备过程中， 大小的样品。但在制备过程中，必须考虑到处理过程 可能会对表面成分和状态的影响。 可能会对表面成分和状态的影响。
由于每种元素的电子结构是独特的，测定 由于每种元素的电子结构是独特的，测定Eb就可以判定元 素的类型。 素的类型。
《材料分析测试方法》
可见，当入射 射线能量一定 射线能量一定， 可见，当入射X射线能量一定，测出功函数和电子 的动能，即可求出电子的结合能。 的动能，即可求出电子的结合能。 由于只有表面处的光电子才能从固体中逸出， 由于只有表面处的光电子才能从固体中逸出，因而 测得的电子结合能必然反应了表面化学成份的情况。 测得的电子结合能必然反应了表面化学成份的情况。 这正是光电子能谱仪的基本测试原理。 这正是光电子能谱仪的基本测试原理。
《材料分析测试方法》
2、电子能量分析器 、
的核心, 为XPS的核心 要求能精确测定能量 的核心 磁偏转式能量分析器（对环境磁场灵敏， 磁偏转式能量分析器（对环境磁场灵敏，目前不 采用） 采用）和静电型能量分析器 静电型能量分析器： 静电型能量分析器： 筒镜型分析器（ 筒镜型分析器（同AES） ） 同心半球型分析器（又称球形致偏分析器） 同心半球型分析器（又称球形致偏分析器）
《材料分析测试方法》
材料分析测试技术--AES与XPS分析方法
样品：2024 Al合金
涂层：Ce(NO3)3
1.定量分析公式
I—谱线强度 s—灵敏度因子
纯Ce4+u' ' '峰面积占总面积的14%
Ce 沉积速率随时间增大
Ce-Ogroup (529.5ev)
Al-O group (531.6ev)
Ce-OH group (532ev)
XPS分析结论
• 缺点：
(1)定量分析的准确度不高； (2)电子束轰击损伤和电荷积累问题限制其在有机材料、生物样品和某 些陶瓷材料中的应用； (3)对样品要求高，表面必须清洁、光滑等； (4)不能分析H、He。
X射线光电子能谱（XPS）
1.工作原理:
当X射线与样品相互作用后，激发出某个能级上的电子，测量这 一电子的动能，就能得到样品中有关电子结构的信息。
②二次电子
①弹性散射峰
③俄歇电子峰
基本原理
• 俄歇电子和俄歇跃迁 俄歇电子
L3 L2 L1
L3 L2 L1
入射电子 K K
俄歇至少涉及两个能级和三个电子，适用于除氢、氦以外所有元素分析
俄歇电子能量
对于WXY跃迁,实际测量到的俄歇电子的动能 ：
E（Z）=EW（Z）-EX（Z）-EY（Z+△）-ØA
不同原子序数的原子主要跃迁的俄歇电子能量图
俄歇电子强度
• 俄歇电子强度就是俄歇电流大小。 对于某一基体材料中的A元素发生WXY俄歇跃迁产 生的俄歇电流IA通常表示为：
IA(WXY)=IPσA(EP,EW)PA(WXY)λA(EWXY)[1+rA(EP,EW)]RTnA
• 俄歇电流与俄歇微分谱峰峰高成正比
电子束与样品作用后产生的粒子和波如下图:
XPS原理数据分析方法讲解
XPS原理数据分析方法讲解XPS（X射线光电子能谱）是一种用于表面分析的常用方法，可以用于确定样品中元素的化学状态和测量元素的相对丰度。
本文将讲解XPS的原理和数据分析方法。
1.XPS原理：XPS利用物质表面发射的光电子来研究元素的化学状态和相对丰度。
其原理基于以下两个过程：-光电子发射：当一束X射线照射到样品表面时，光子通过光电效应将电子从样品表面的原子中解离出来。
这些光电子的动能与其所来自的原子的束缚能有关，因此可以通过测量光电子的动能来确定原子的化学状态。
-表面分析：通过测量不同能量的X射线和测量发射光电子的能量和强度，可以得到元素的谱图。
X射线的能量可以调节，从而选取特定能量的X射线与特定元素相互作用，进一步确定元素的化学状态和相对丰度。
2.数据分析方法：XPS谱图包括两个主要部分：能级谱和分析谱。
能级谱用于确定元素的化学状态，分析谱用于计算元素的相对丰度。
-能级谱分析：1）首先，将能级谱分为两个区域：高分辨率核电子谱（Valence Band）和低分辨率核电子谱（Core Level）。
2）高分辨率核电子谱用于确定元素的键合状态和价态。
通过观察能级峰的位置和形状，可以判断原子是否在化合物中。
3）低分辨率核电子谱用于确定元素的元素组成。
通过测量特定能级的光电子峰的相对强度，可以计算元素的相对丰度。
-分析谱分析：1）利用分析谱可以计算元素的相对丰度。
分析谱根据元素的主要光电子峰的能量和强度来建立。
通过测量每个元素的主要光电子峰的峰强和标准物质的峰强，可以计算元素的相对丰度。
2）校正数据。
由于光电子的逃逸深度和电子的信号衰减，测量到的峰强可能与真实丰度有所偏差。
因此，需要进行校正，建立校正曲线，将峰强转换为相对丰度。
3.XPS仪器：XPS仪器由以下几部分构成：-X射线源：提供特定能量的X射线，用于激发样品释放光电子。
-能谱仪：包括投射能量分辨部分和检测器，用于测量发射光电子的能量和强度。
-样品台：用于固定和聚焦样品，可控制样品在X射线照射下的角度和位置。
材料研究分析方法XPS
不久因化学状态变化而产生的内能级位移也被观测到。 即所谓的化学位移现象。基于XPS这种化学状态分析能 力，K.Siegbahn取名为ESCA其全称为Electron Spectroscopy for Chemical Analysis，即化学分析 电子谱。
确定峰强度（即峰的面积或高度）:以谱线的背底为基准，峰面
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积和高度做为峰强度。
结合能坐标基准校正
以污染碳C1s284.8eV定标。 采用在样品上蒸镀金作为参照物来定标，即选定Au为
84.0eV 。 结合能坐标基准：主要是绝缘（或导电性不好）样品
的荷电效应。X射线辐照期间从绝缘体表面发射电子， 不可避免地将导致形成正的表面电位，因为来自样品 体相或者样品托的电子不能补偿这种电子损失。这种 正的荷电作用要降低光电子的出射动能（即表现为结 合能增加）。这就是XPS分析绝缘样品时的荷电效应。 单色化X射线源，荷电问题将更加严重。
metal)
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XPS图谱分析
XPS图谱 曲线拟合分峰 确定峰位和强度
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XPS图谱包含的信息
内能级 价能级 俄歇跃迁系列
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Ag的XPS宽扫描图(3s,3p,3d )
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Ag的3d5/2XPS窄扫描 图
*
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内能级:XPS分析的大部分信息由内能级谱提供,内能级结合
I =nfσφγATλ
n——原子数/cm3
f——X射线通量（光子/cm2 ·s）
σ——光电离截面（cm2）
φ——与X射线和出射光电子的夹角有关的因子
材料研究分析方法XPS
材料研究分析方法XPSX射线光电子能谱（X-ray photoelectron spectroscopy，XPS）是一种广泛应用于材料研究和分析的表征技术。
它利用入射的X射线激发材料表面的电子，测量所产生的光电子的能量分布，从而确定样品的化学组成、元素状态和电子结构等信息。
本文将介绍XPS的基本原理、仪器及其应用。
XPS的基本原理是利用X射线激发材料表面的原子和分子，使其内层电子跃迁到外层，产生光电子。
这些光电子的动能与原子或分子的电子结构、化学环境和束缚能有关。
通过测量光电子的能谱，可以得到元素的化学状态、电荷状态和化学键的形式等信息。
XPS的实验装置一般包括X射线源、光学系统、电子能量分析器和探测器。
X射线源通常是基于一个X射线管，产生具有一定能量和强度的X射线。
光学系统将X射线聚焦到样品表面，同时也可以调节入射角度和区域。
电子能量分析器由能量选择器和探测器组成，能够分析光电子的能量分布。
探测器可以是多个位置灵敏的通道探测器，也可以是二维面探测器，用于测量光电子的能谱图像。
整个实验装置可以通过各种外围设备和计算机进行控制和数据处理。
XPS广泛应用于表面和界面的化学分析、薄膜和涂层的研究、材料的性能表征等领域。
在表面化学分析中，XPS可以用来确定元素的种类和含量，分析化学键的形式和强度，表征材料的化学性质和表面组成。
在薄膜和涂层研究中，XPS可以用来分析薄膜的厚度、界面的结构和反应机理，以及薄膜的成分和含量。
在材料性能表征中，XPS可以用来研究材料的电子结构、能带结构和载流子状态，了解材料的电子特性和导电机制。
XPS作为一种非接触性和表面敏感的表征技术，具有高分辨率、高灵敏度和高静态深度分辨能力等优点。
然而，XPS也有一些局限性，例如不能获取样品的化学状态和元素的价态，不能分析材料的体积成分等。
此外，XPS在样品准备和实验条件等方面要求较高，样品表面必须光滑且真空条件下进行测量。
总体而言，XPS是一种非常有用的表征技术，可以提供材料的表面和界面的化学信息，对于材料研究和分析具有重要的应用价值。
XPS分析方法与原理
XPS分析方法与原理X射线光电子谱（X-ray photoelectron spectroscopy，XPS）是一种用于表征固体表面和界面化学组成及化学状态的表征技术。
它是一种基于光电效应的非破坏性表征方法，利用高能量的X射线激发样品，将表面的电子从原子轨道中解离出来，并通过测量解离出的电子的能量来确定样品表面元素的原子态和化学价态。
XPS分析方法的原理基于电子能量损失（EELS）、电子荧光（ESCA）和光电效应原理。
当X射线射入样品表面时，它会与样品表面的原子发生相互作用，其中一部分X射线会被电子散射或吸收，导致电子从内层壳层被挤出。
这些抛射的电子称为光电子，其动能（或能量）与光电效应的出发原理，即光子的能量与电子的结合能之差成正比。
XPS仪器主要由以下部分组成：一个射线源，一套高真空环境系统，一个能量分辨光电子能谱仪，一个探测器和一个数据处理系统。
在XPS分析中，常用的光源是镓（AlKα，能量1486.6eV）或镉（CdLα，能量3464.9eV）的X射线源。
这些X射线通过一系列准直和磁透镜系统后聚焦在样品表面上，从而激发样品表面的电子。
光电子离开样品表面后，通过电子能谱仪，能够根据电子的能量、角度和起飞位置来测量电子的能谱。
一般来说，高分辨率光电子能谱仪是由一个行程舞台、一个能量分辨系统和一个多通道探测器组成的。
行程舞台用于定位所感兴趣的区域，能量分辨系统用于提供所需的能量分辨率，多通道探测器用于收集并记录光电子能谱。
最后，通过对收集到的电子能谱数据进行分析处理，可以得到关于样品表面元素的化学状态和含量信息。
通过比较实验得到的光电子能谱与标准能谱数据库中的数据进行匹配，可以确定样品中不同元素的化学状态。
XPS方法可以提供丰富的信息，如元素的化学价态、元素的化学环境和表面化学组成等。
它具有高灵敏度、高表面分辨率和化学态分辨率、化学信息的定性和定量分析能力等特点，因此在材料科学、表面科学、催化剂研究、固体界面分析等领域得到广泛应用。
表面分析方法-XPS 材料研究方法与实验
AlK(1486.6eV) 或MgK(1254.6eV)
X射线光电子能谱仪主要由三部分组成:
(l)激发光源: 用于X射线光电子能谱的激发源是特征 X射线。常用MgK靶和AlK靶，它们的能量和线宽 分别为1253.6eV和1486.6eV与0.68eV和0.83eV，是较 为理想的光电子能谱激发源。
仪器
TEM
SEM EPMA (电子探针) IMA (离子探针) 或SIMS
XPS
ESCA UPS
AES
IRRS
EPM
表面研究方法特性
激发源
电子束 100keV~1MeV
电子束
信息
透射 电子
二次电子
测试深度
100 nm
1.5 m
测试研究内容
微观结构、组织形貌
表面形态、断面特征
电子束 10~30 keV
表面分析方法
前言 X－射线光电子能谱（XPS） 俄歇能谱（AES） 二次离子质谱仪（SIMS） 扫描电镜（SEM）等
物质的表面分析包括如下内容
1. 物质表面层元素的化学组成和浓度深度分 布 的定性、定量分析；
2. 物质表面层元素间的结合状况和结构分析； 3. 物质表面层的状态，表面和吸附分子的状态，
• 1954年研制成世界上第一台双聚焦磁场式光电子能谱仪。 • XPS是一种对固体表面进行定性、定量分析和结构鉴定
的实用性很强的表面分析方法。 • 现今世界上关于XPS的刊物主要有：
Journal of Electron Spectroscopy. Related Phenomena.
xps是什么测量方法
xps是什么测量方法？
XPS：X射线电子能谱
原理：用X射线照射样品，使样品中原子或分子的电子受激而发射出来，测量这些电子的能量分布，从中获得所需元素和结构方面的信息。
由于它十分广泛应用于化学分析，所以也称之为化学分析电子能谱（ESCA）。
X射线使电子从原子中某能级发射出来，这一过程为光电离，其服从爱因斯坦关系式，但这种能量关系只是在能量不损失的情况下才成立。
对于高分子固态样品（不能用溶液，因为溶剂分子会干扰测定），只有在表面非常薄的一层（约2nm）上才允许电子离开而不损失能量。
因此，XPS只适用于研究高分子材料的表面。
应用：高分子材料表面的元素成分分析化学位移和高分子材料的定性鉴别共聚组成的定量分析。
XPS材料分析方法
光电子线及伴峰
2） X射线卫星峰（X-ray satellites）用来照射 样品的X射线未经过单色化处理，那么在常规 使用的Al Kα1,2和Mg Kα1,2。射线里可能混杂有 Kα3,4,5,6和Kβ射线，这些射线统称为Kα1,2的射线 的卫星线。样品原子在受到X射线照射时，除 了发射特征X射线（Kα1,2）所激发的光电子外， 其卫星线也激发光电子，由这些光电子形成的 光电子峰，称为X射线卫星峰。
另外，在图谱中还有一些俄歇线。
光电子线及伴峰
1）光电子线。光电子线是谱图中强度最大、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的具有表征作用的光电子 线。所以，是元素定性分析的主要依据。光电 子线的谱线宽度来自于样品元素本质信号的自 然宽度、X射线源的自然线宽、仪器以及样品 自身状况的宽化因素等四个方面的贡献。高结 合能的光电子线比低结合能的光电子线宽1～ 4eV；绝缘体比良导体宽0.5eV。
光电子线及伴峰
3）多重分裂（Mulitiple splitting） 当原子或自由离子的价壳层拥有未成对的自旋电子时， 光致电离所形成的内壳层空位便将与价轨道未成对 自旋电子发生耦合，使体系出现不止一个终态 因为只有自旋反平行的电子才存在交换作用，显然a 终态的能量低于b终态，导致XPS谱图上Mn的3s谱 线出现分裂
化学位移与原子氧化态的关系
理论上，同一元素随氧化态的增高， 内层电子的结合能增加，化学位移增 加。 但也有特例，如：Co2+的电子结合 能位移大于Co3+。
3. X射线光电子能谱仪
X射线能谱仪的基本组成，最主要部件：激发源、能量分析 器、电子探测器
5. XPS谱图分析
XPS谱图 光电子线及伴峰
的单色激发源和特定的原子轨道，其光电子的 能量是特征的)
xps表征方法
xps表征方法XPS表征方法引言：XPS（X射线光电子能谱）是一种常用的表征材料表面化学组成和电子结构的技术。
它通过照射材料表面的X射线来激发材料中的电子，然后测量被激发电子的能量和数量来获得有关材料表面性质的信息。
本文将介绍XPS的原理、样品制备、实验条件和数据分析等方面的内容。
一、XPS原理XPS是基于光电效应原理的一种表征方法。
当材料表面受到X射线的照射时，X射线光子会与材料表面的原子发生相互作用，将材料表面的电子激发到较高能级。
这些激发电子的能量与原子的价带结构和化学键性质有关，因此可以通过测量这些电子的能量来推断材料的化学组成和电子结构。
二、样品制备在进行XPS实验之前，需要对待测材料进行适当的制备。
首先，材料表面应该光洁无污染，可以通过机械抛光、化学清洗等方法来实现。
其次，为了避免样品表面被氧化，可以在实验前进行真空处理或者使用惰性气体（如氩气）保护样品表面。
三、实验条件XPS实验的关键参数包括X射线源的能量、束斑大小、入射角度，以及电子能谱仪的能量分辨率等。
X射线源的能量通常选择能够激发材料表面电子的能量范围，常见的是10-2000 eV。
束斑大小和入射角度会影响测量的深度和表面灵敏度，需要根据具体的实验要求进行调整。
而电子能谱仪的能量分辨率则决定了测量结果的精确程度，通常要求较高的能量分辨率。
四、数据分析XPS实验得到的电子能谱数据可以通过峰拟合来分析。
一般来说，电子能谱图中的峰对应着不同能级的电子。
通过对峰的位置、形状和峰面积等参数的分析，可以确定元素的化学状态、含量以及化学键的性质等信息。
此外，XPS还可以通过测量样品在不同位置的能谱来获取表面成分的空间分布信息。
五、应用领域XPS广泛应用于材料科学、化学、表面科学等领域。
在材料科学中，XPS可以用于研究纳米材料、薄膜材料以及表面修饰等方面的问题；在化学领域，XPS可以用于分析催化剂、吸附剂等材料的表面化学性质；在表面科学中，XPS可以用于研究表面反应、腐蚀机制等问题。
现代材料分析方法(XPS)
N7 N6 N5 N4 N3 N2 N1 M5 M4 M3 M2 M1 L3 L2 L1 K
典型XPS谱
MOCVD制备的HgCdTe膜
典型XPS谱
Fe的清洁表面
XPS XPS中的化学位移 化学位移
由于原子所处的化学环境不同而引起的内层 电子结合能的变化，在谱图上表现为谱峰的 位移，这一现象称为化学位移。 化学位移的分析、测定，是 XPS 分析中的一
合能，并成功地应用于许多实际的化学体系。
Kai Seigbahn: Development of X-ray Photoelectron Spectroscopy
C. Nordling E. Sokolowski and K. Siegbahn, Phys. Rev. 1957, 105, 1676.
Ni 2P1/2线的 高分辨XPS谱
XPS XPS分析总结
基本原理：光电效应 基本组成：真空室、X射线源、电子能量分析器 辅助组成：离子枪 主要功能：成分分析、化学态分析
采谱方法：全谱、高分辨率谱
分析方法：定性分析、定量分析
XPS X射线光电子谱仪的能量校准
荷电效应
F 考虑荷电效应有： EK h EB SP ES
其中ES=VSe为荷电效应引起的能量位移， 使得正常谱线向低动能端偏移，即所测结 合能值偏高。
荷电效应还会使谱锋展宽、畸变，对分析 结果产生一定的影响。
XPS X射线光电 测试时用低能电子束中和试样表面的电荷，使Ec<0.1eV，这 种方法一方面需要在设备上配置电子中和枪，另一方面荷电 效应的消除要靠使用者的经验。 荷电效应 -内标法 在实验条件下，根据试样表面吸附或沉积元素谱线的结合能， 测出表面荷电电势，然后确定其它元素的结合能。这种方法 的缺点是对溅射处理后的样品不适用。另外，金可能会与某 些材料反应，公布的C1s谱线的结合能也有一定的差异。
XPS分析技术
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。
xps测试方法的原理和应用
XPS测试方法的原理和应用1. 引言X射线光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectroscopy，简称XPS）是一种表面分析技术，使用X射线激发材料表面的光电子，通过测量光电子的能量和强度分布来研究物质的表面成分、化学状态和电子结构。
本文将介绍XPS测试方法的原理及其在材料科学、表面化学和催化领域的应用。
2. XPS测试方法的原理XPS测试方法基于光电效应原理，即当光子与物质表面的原子或分子相互作用时，会产生光电子。
其原理可以概括为以下几个步骤：1.X射线入射：XPS实验仪器通过X射线源产生高能量的X射线，并将其照射在待测试样品的表面。
2.光电子发射：表面原子吸收入射X射线的能量，使得部分电子跃迁到空位，产生光电子。
光电子的能量由入射X射线的能量和表面原子的能级结构决定。
3.光电子能量分析：XPS实验仪器采用光谱仪对发射的光电子进行能量分析，并记录光电子能谱图。
根据光电子的能量，可以确定原子或分子的化学状态和元素的相对含量。
4.数据处理和解读：通过对光电子能谱的数据进行处理和解读，可以获得样品的表面元素组成、电子能级结构和化学状态等信息。
3. XPS测试方法的应用3.1 表面成分分析XPS可以精确地确定样品表面的元素组成和相对含量。
通过准确计算每个元素峰的积分强度，可以计算出不同元素的表面含量百分比。
这对于研究材料的组成和纯度非常重要。
3.2 化学状态研究XPS能够提供元素的化学状态信息。
通过计算光电子峰的位置和形状，可以确定元素的化学键合状态。
这有助于研究材料的表面化学反应、氧化状态变化等。
3.3 电子能级结构研究XPS可以直接测量样品表面的能带结构和能级分布。
通过分析光电子的能级位置和强度，可以研究材料的能带宽度、能带的形状以及带间跃迁等电子结构相关的性质。
3.4 催化反应研究XPS可以用于研究催化材料表面的结构和化学反应。
通过监测催化材料在反应条件下的表面成分和化学态变化，可以揭示催化反应的机理和活性位点。
现代材料分析方法
现代材料分析方法现代材料分析方法(XPS)是一种非常重要的材料表征技术。
它是通过电子能量的分析来研究材料表面化学组成和电子结构的方法。
XPS技术基于X射线的发射和吸收原理，能够提供有关材料的化学组成、表面态、元素价态等详细信息。
下面将从原理、仪器、应用等方面介绍现代材料分析方法(XPS)。
XPS技术是通过照射材料表面的X射线，使材料表面的原子和分子发生电离，进而产生电子。
这些电子具有不同的能量，并与材料表面原子的化学状态和电子结构有关。
通过测量这些电子的能量和数目，可以获得材料表面的化学组成和电子结构信息。
XPS仪器主要由以下几个部分组成：X射线源、样品台、电子能谱仪和数据系统。
X射线源主要通过产生X射线照射样品表面，激发电子发生电离。
样品台用于支撑和定位样品，通常可旋转和倾斜以改变入射角度。
电子能谱仪用于测量样品发射的电子能量和数目，通常由电子能谱仪和能量分辨仪组成。
数据系统则用于处理和分析测量到的电子能谱数据。
XPS技术在材料科学领域有广泛的应用。
首先，它可以用于表面分析，可以非常详细地了解材料表面的化学组成和电子结构。
这对于材料的表面改性和催化活性等研究具有重要意义。
其次，XPS还可以用于界面分析，如材料与环境中气体或液体接触时的界面反应研究。
此外，XPS还可以用于研究材料的电子结构和能带结构，以及了解材料的导电性和光电性能等。
总结起来，现代材料分析方法(XPS)是一种非常重要的材料表征技术。
它能够提供材料表面的化学组成和电子结构等详细信息。
XPS技术在表面分析、界面分析、材料电子结构研究等方面具有广泛的应用。
随着科技的发展，XPS技术也在不断进步，为材料科学的发展和应用提供了强大的支持。
XPS检测分析方法
其过程为：
A+hν (A+)*+e-(光电子)
A++ hν’(X荧光) A2++e-(俄歇电子) （原子序数Z<30的元素以发射俄歇电子为主）
两 者 只 能 选 择 其 一
俄歇电子产生过程图解：
俄歇电子e-
hv(X-ray荧光)
Energy
处于激发态离子 产生X-ray荧光过程
处于激发态离子 产生俄歇电子的过程
光电发射定律
• • • • Bv +EKv
2）对固体样品（必须考虑晶体势场和表面势场对光
电子的束缚作用以及样品导电特性所引起的附加项）
hγ = EBF+ EKF +Ф S EBF:电子结合能，电子脱离原子核及其它电子 作用所需的能量 • Ф S：逸出功（功函数），电子克服晶格内周边 原子作用变成自由电子做需的能量。 • Ek ：自由电子动能。
• 电子结合能：由光电过程的Einstein方程：
hν=Eb+1/2mv2 ，求出 ：Eb= hν-Ek。
XPS 的工作流程：
光 源(X-ray)
过滤窗
样品室 能量分析器 检测器
真空系统 (1.33×10-5—1.33×10-8Pa)
磁屏蔽系统(～1×10-8T)
扫描和记录系统
光电发射定律
hγ = EB+ EK 即光子的能量转化为电子的动能EK并克服原子核对核 外电子的束缚EB EB=hγ - EK
对于P1/2和P3/2的相对强度为1:2，d3/2和d5/2为2:3，f5/2和f7/2 为3:4；下图是Si的2P电子产生的分裂峰(1:2):
• 利用俄歇化学位移标 识谱图鉴定物质：
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《材料分析测试方法》
双阳极X射线管
由灯丝，阳极靶及窗口组成
一般采用双阳极靶；常用 Mg/Al双阳极靶
加铝窗或Be窗，阻隔电子进 入分析室，也阻隔X射线 辐射损伤样品。
灯丝不面对阳极靶，避免阳 极的污染。
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X射线的单色化
X射线均具有很宽的自然宽度， 能量分辨率受到限制；必须进行 单色化；
3. 电子探测及数据处理
光电子信号微弱；10-16~ 10 -14A 光电倍增管，多通道板，位置灵敏检测器三种； 光电倍增管：
原理是当一个电子进入到倍增管内壁与表面材料发 生碰撞会产生多个二次电子，多次碰撞就可以达到 放大的目的； 采用高阻抗、高二次电子发射材料，增益：10 9
材料测试分析方法131XPS
1.光电子发射
当X射线光子与样品作用，被样品原子的电子散射和 吸收。
X射线易被内层电子吸收。若入射X射线能量（h ν） 大于原子中电子的结合能及样品的功函数时，电子可 以吸收光子的能量而逸出样品，形成光电子（内层电 子电离后较外层电子跃迁填补空穴，同时发射X射线 或俄歇电子）
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第13章 现代分析测试方法
X射线光电子能谱（XPS） 俄歇电子能谱（AES） 扫描探针显微分析（SPM）
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§13-1 X射线光电子能谱原理与应用
X射线光电子能谱 （X-Ray PPS）
利用X射线与样品表面作用产生光电子，通过分析光电子能量 分布得到光电子能谱，用来分析材料表面元素化学状态的方法。
XPS又称化学分析用电子能谱（Electron Spectroscopy for Chemical Anslysis，ESCA），强调X射线电子能谱中既有光电子 峰，也有俄歇电子峰。
XPS是研究材料表面组成和结构的最常用的一种电子能谱。
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一、XPS基本原理
真空内 真空外
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1、X射线源
要求 ➢ 足够高的能量（使内层电子电离） ➢ 足够的强度（能产生足够的光电子通量） ➢ 尽量窄的线宽（单色X射线）
应用——Mg、Al源，线宽小，稳定性好 Mg的Kα线，E=1253.6eV，线宽0.7eV Al 的Kα线，E=1486.6eV，线宽0.85eV
X射线难以聚焦，单色化困难； 一般采用Rowland圆晶体进行
单色化（衍射方式）。 强度为原来的1%。
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2、电子能量分析器
为XPS的核心, 要求能精确测定能量 磁偏转式能量分析器（对环境磁场灵敏，目前不
采用）和静电型能量分析器 静电型能量分析器：
主要包括样品的大小，粉体样品的处理, 挥发性样品 的处理，表面污染样品及带有微弱磁性的样品的处 理。
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1. 样品的尺寸
在实验过程中样品通过传递杆，穿过超高真空隔离阀， 送进样品分析室。因此，样品尺寸必须符合一定规范。
逃逸深度与逸出角有关
mcos
θ为探测角，出射方向与面法线夹角 当θ = 0 ，垂直表面射出的电子来自最大逸出深度 当θ ≈ 90 ，近似平行于表面射出的电子纯粹来自最外 表面几个原子层 改变探测角θ可调整表面灵敏度
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二、XPS仪
X射线源 离子源 样品台 电子能量分析器 电子探测及倍增器 数据处理与显示
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6. 成像XPS
给出的是元素分布像 可给出元素化学成份像 可进行显微分析 8微米分辨率
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三、XPS样品制备
X射线光电子能谱仪对待分析的样品有特殊的要求， 在通常情况下只能对固体样品进行分析。
由于涉及到样品在超高真空中的传递和分析，待分 析的样品一般都需要经过一定的预处理。
2. 逃逸深度（λm）
与俄歇电子相同，只有那些来自表面附近在逃逸深 度以内的光电子才没有经过散射而损失能量，才对 确定Eb的谱峰有所贡献。
对于XPS 有用的光电子能量100~1200eV λm =0.5~2.0nm（金属） =4~10nm（高聚物）
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可见，当入射X射线能量一定，测出功函数和电子 的动能，即可求出电子的结合能。
由于只有表面处的光电子才能从固体中逸出，因而 测得的电子结合能必然反应了表面化学成份的情况。 这正是光电子能谱仪的基本测试原理。
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L1 L2
入射X射线 K
俄歇电子 特征X射线
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光电子
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光电子的动能：
EkhEbsp
所以
EbhEksp
Eb电子束缚能 sp 谱仪的功函数
E k 可实验测定 sp 一般为常数
由于每种元素的电子结构是独特的，测定Eb就可以判定元素 的类型。
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4.离子束溅射
样品表面的清洁； 样品表面层的离子刻蚀； Ar离子，氧离子，铯离子，镓离子等 固定溅射和扫描溅射方式 溅射的均匀性 溅射过程的其他效应
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5.真空系统
电子的平均自由程；（10－5 torr，50m） 清洁表面（10－6 torr，1s，原子单层） 场发射离子枪要求（ 10-8 torr ） XPS要求：10-8 torr以上
筒镜型分析器（同AES） 同心半球型分析器（又称球形致偏分析器）
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只有能量在选定的很窄范围内的电子可能循着一定的轨道 达到出口孔，改变电势，可以扫描光电子的能量范围。
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