自旋轨道分裂
ch3-3自旋和轨道相互作用以及能级精细结构
§3—5 自旋和轨道相互作用一、自旋-轨道耦合能原子内部由于带电粒子的运动，会产生磁场即原子的内磁 场。
电子处在这内磁场中，其自旋磁距与磁场要发生相互 作用，由此引起能级的分裂。
自旋-轨道相互作用是磁相互作用，这种作用较弱，只使原 子能级发生细微的改变，而产生精细结构。
具有自旋磁距的电子处在由于轨道运动而感受的磁场中 （电磁理论，一个磁性物体在磁场中的能量是 −μΒcosθ），附加自旋的能量为：ΔE = − μ s B cos θ轨道运动的磁场L方向L = r × mvBL+ Ze+ Ze−er−eBL9 电子绕核运动，等效于核绕电子运动 由Biot-Savart定律（右手定则），可以计算由于原子 核轨道运动在电子所在处产生的磁场μ0 B= 4π∫Idl × r r3Ze Ze Idl × r = dl × r = v dl × r = − v× rdl τ 2π r 2π r μ0 Idl × r μ0 Ze v× r B= =− dl 3 4 ∫ ∫ 4π r 4π 2π rZeμ0 Zer × me v μ0 Ze dl = r × me v = 4 ∫ 3 4π 2π me r 4π me r1 1 Ze 1 1 Ze L= L = 2 3 2 3 me c 4πε 0 r me c 4πε 0 rZ3 = 3 3 r 3 a0 n l (l + 1/ 2)(l + 1) 1以上是相对于电子静止的坐标系中观察到的磁场；希望得到 相对于原子核静止的实验室坐标系中的磁感应强度。
1926年，L.H.Thomas1 1 1 Ze B= L 2 3 2 me c 4πε 0 r电子因其轨道运动而感受到一与 轨道角动量成正比的磁场，且B与L同向自旋—轨道耦合能具有自旋磁矩的电子,在内磁场中具有势能,使电子有一附加能量ΔEΔEls = − μ s ⋅ B =1g s μB1 1 1 Ze S⋅ L 2 3 2 me c 4πε 0 rZe 2 = S ⋅L 2 2 3 4πε 0 2me c r1 电子的自旋量子数s = ,单电子S 只能有两个取向。
rashba
Rashba 效应与Dresselhaus 效应自旋轨道相互作用表征电子自旋和运动的关系，通常表现为能级的分裂。
在半导体电子学中，自旋轨道耦合是影响自旋操控和自旋驰豫的重要物理机制。
反演非对称半导体体系下的自旋轨道耦合会导致自旋分裂而引起Rashba效应和Dresselhaus效应。
考虑在半经典和非相对论量子力学下的旋轨耦合，这等效于电子围绕原子核运动模型，电子在运动过程中产生磁场，并与其本身的电子磁矩作用，产生的附加能量使得原有能级劈裂。
附加能量为由于存在相对论效应，需要进行Thomas修正，修正后的总能量为这和相对论量子力学推导出来的狄拉克哈密顿量完全一样。
半导体体系中，由于自旋轨道相互作用导致自旋简并的解除，因而在哈密顿量中出现波矢的线性项，形成自旋分裂。
这种分裂表现为电子能量与动量的色散关系由一条抛物曲面分裂为二，使自旋不同电子能级分裂。
而引起自旋分裂的机制为：结构反演不对称(SIA)导致的Rashba效应和晶体反演不对称(BIA)导致的Dresselhaus效应。
同时异质结的界面反演不对称(IIA)也可以导致Dresselhaus效应，因为其哈密顿量同BIA类似。
结构反演不对称(SIA)通常由内建电场、非对称的掺杂，三角形量子势阱、异质结等外部因素导致，而晶体反演不对称(BIA)则由晶体本身的对称性决定。
因此Dresselhaus效应普遍存在于半导体材料中，如 GaAs，二维电子气等等。
在二维体系下，设z为晶体生长方向，即垂直于电子运动的二维平面，则自旋轨道耦合哈密顿量可以写作：这里的Rashba参数α表征与SIA有关的各种旋轨耦合机制的强度。
另一方面根据晶体的对称性，则可以推导出类似的线性Dresselhaus项：实质上Dresselhaus项是有关k的三阶量，但如果在二维电子气下看，k的z方向分量是量子化的，因而可以合并到Dresselhaus参数β里面，近似成为线性项。
根据理论计算，k的线性项会导致能量本征值的分裂，从而改变能量与动量的色散关系：由一条抛物型曲线分裂成两条。
原子规道与能级图__XPS_光电子能谱分析
原子轨道近似能级图编辑美国化学家Pauling经过计算，将原子轨道分为七个能级组。
第一组：1s第二组：2s2p第三组：3s3p第四组：4s3d4p第亓组：5s4d5p第六组：6s4f5d6p第七组：7s5f6d7p特点：1、能级能量由低到高。
2、组与组之间能量差大，组内各轨道间能量差小，随n逐渐增大，这两种能量差逐渐减小。
3、第一能级组只有1s一个轨道，其余均有两个或两个以上，且以ns开始np结束。
4、能级组与元素周期相对应。
如题：最近有人问我XPS元素的右下角数字的含义。
这是我个人的理解，请大家多多指教。
1、四个量子数的物理意义：n为主量子数;l为角量子数；m为磁量子数；s为自旋量子数。
n＝1，2，3，4…，但不等于0，并且以K（n＝1），L(n＝2)，M(n＝3)，N（n＝4），…表示。
l＝0，1，2，3…。
并且以s（l＝0），p(l＝1)，d(l＝2)，f（l＝3），…表示。
s=1/2m=0,±1, ±2,…, ±l2、自旋－轨道分裂我们知道原子中的电子既有轨道运动又有自旋运动。
量子力学的理论和光谱试验的结果都已经证实电子的轨道运动和自旋运动之间存在着电磁相互作用。
自旋－轨道耦合的结果使其能级发生分裂，这种分裂可以用总量子数j来表示，其数值为：j＝l+s, l+s-1,…,|l-s|由上式可以知道：s轨道：当l＝0，s＝1/2时，j只有一个数值，即j＝1/2；p轨道：当l＝1，s＝1/2时，j＝1/2，3/2d轨道：当l＝2，s＝1/2时，j＝3/2，5/2f轨道当l＝3，s＝1/2时，j＝5/2，7/23、原子和分子轨道的符号表示原子中内层电子的运动状态可以用以描述单个电子运动状态的四个量子数来表征。
电子能谱试验通常是在无外磁场作用下进行的，磁量子数m是简并的，所以在电子能谱研究中通常用n，l，j三个量子数来表征内层电子的运动状态。
价电子用分子轨道符号来表示。
电子能谱学
当光子的能量远比电子所在能级的电离能大时，光电子将 以很高的速度离开原子。
由于电子从原子内壳层的突然离开，将会引起中心电位的 突然改变。
原子最外层轨道的电子受到这种电位变化的影响，使得它 们从外层原子轨道上发射出去。这种现象称为光子振动发 射（photo shake off）。
由于是两个电子同时发射，也称为双电子发射光电离。也 就是说，在光子从原子内壳层激发出光电子的同时，还可 以激发出原子最外层轨道上的另一个电子。
2024/5/1
清华大学化学系
9
弛豫势能模型
当弛豫能表达为： 化学位移可用下式表达：
弛豫势能模型与静电势能模型相比，能更好地解 释化学位移效应。
下图是两种模型获得的N1s化学位移理论值与实 验结果的比较。
由此可见，弛豫势能模型与实验结果具有较好的 相关。对于固体样品，还必须考虑晶体结构的弛 豫能的影响。
2024/5/1
清华大学化学系
5
电荷势模型
对原Y原子芯能级所感受到的化学位移可用下式表达。
由此可见，化学位移主要来自价电子转移所引起的势能变化。
在一般的多原子体系中，原子i上的电荷为qi，原子i与其周围 的原子j相结合，其化学位移ΔEi可用下式描述。
其中k为原子i的一个芯能级电子与其上的一个价电子间的平 均排坼能（即单中心积分）。上式表面元素的化学位移与qi 间有线性关系。
2024/5/1
清华大学化学系
23
多重裂分（静电裂分）
2024/5/1
清华大学化学系
24
多重裂分（静电裂分
同样对于Cr的配合物的Cr3s谱，在Cr(CO)6中没 有出现Cr3s的分裂峰，表面不存在未成对电子。 实验也证明该物质是反磁性的。
电子自旋及轨道运动相互作用
电子自旋及轨道运动相互作用摘要：通过对实验事实的简单介绍，引入电子自旋的概念，并逐渐深入，对其进行进一步阐述。
说明电子自旋的特点，以及它和轨道运动之间的相互作用和能量的计算。
此外，还简要说明电子自旋与能级的分裂之间的关系，以及塞曼效应。
关键词：电子自旋轨道运动角动量能级0 引言许多实验事实证明电子具有自旋，下面叙述的斯特恩—革拉赫实验（Stern-Gerlach）实验是其中一个。
图1 斯特恩-革拉赫实验图2一个角动量为、磁矩为的陀螺在磁场中进动频率的矢量图图1中由O射出的处于s态的氢原子束通过狭缝和不均匀磁场，最后射到照相片P上，实验结果是相片上出现两条分立的线。
这说明氢原子具有磁矩，所以原子束通过非均匀磁场时受到力的作用而发生偏转；而且由分立线只有两条这一事实可知，原子的磁矩在磁场中只有两种去向，即它们是空间量子化的。
这可有下面的讨论看出。
假设原子的磁矩为M ，它在沿竖直方向z轴的外磁场B中的势能为：■式中■是原子磁矩M和外磁场之间的夹角。
原子在z方向所收到的力是：■如果原子磁矩在空间可以取任何方向的话，cos■应当可以从+1连续变化到-1，这样在照相片上应该得到一个连续的带，但实验结果只有两条分立的线，对应于cos■=+1和cos■=-1。
1 电子自旋为了说明见金属原子能级的双层结构，G.Uhlenbeck和S.A.Goudsmit在1925年首先提出，可以设想电子具有某种方式的自旋，其角动量等于（1/2）（h/2π）。
这个自旋角动量是不变的，是电子的属性之一，所以也称电子的固有矩。
电子既有某种方式的转动而电子是带负电的，因而它也具有磁矩，这磁矩的方向同上述角动量的方向相反。
每个电子具有自旋磁矩■，它和自旋角动量■的关系是：■ （1.1）式中-e是电子的电荷，μ是电子的质量。
■在空间任意方向上的投影只能取两个数值：■ （1.2）■是玻尔磁子。
由（1.1）式，电子自旋磁矩和自旋角动量之比是：■（1.3）这个比值称为电子自旋的回旋磁比率。
自旋电子学中的磁隧道结与自旋霍尔效应
自旋电子学中的磁隧道结与自旋霍尔效应自旋电子学是一门研究自旋相关现象和应用的领域，其中磁隧道结和自旋霍尔效应是两个重要的概念。
本文将介绍这两个概念的基本原理和应用。
一、磁隧道结磁隧道结是一种由两个磁性材料之间的绝缘层隔开的结构。
在这个结构中，通过控制磁性材料的磁化方向，可以实现电子在两个磁性材料之间的隧道传输。
这种结构的研究在自旋电子学中具有重要的意义。
磁隧道结的原理基于量子力学中的隧道效应。
当两个磁性材料的磁化方向相同时，电子可以通过绝缘层的隧道效应传输。
而当两个磁性材料的磁化方向相反时，电子的传输将被阻碍。
通过控制磁性材料的磁化方向，可以实现对电子传输的控制。
磁隧道结在存储器和传感器等领域有着广泛的应用。
例如，在硬盘驱动器中，磁隧道结被用于读取和写入数据。
通过改变磁性材料的磁化方向，可以实现对数据的读取和写入操作。
此外，磁隧道结还被应用于磁性传感器中，用于检测磁场的变化。
二、自旋霍尔效应自旋霍尔效应是一种由自旋引起的电荷输运现象。
在自旋霍尔效应中，当材料中存在横向电场时，电子的自旋会导致电子在横向方向上的运动。
这种效应的研究对于开发自旋电子学器件具有重要的意义。
自旋霍尔效应的原理基于自旋-轨道耦合和自旋分裂的现象。
在材料中，电子的自旋与其运动轨道之间存在相互作用，这种相互作用被称为自旋-轨道耦合。
在存在自旋-轨道耦合的材料中，自旋会导致电子能级的分裂。
当材料中存在横向电场时，电子的自旋会导致能级分裂后的电子在横向方向上的运动。
自旋霍尔效应在自旋电子学中有着广泛的应用。
例如，在自旋电子学器件中，自旋霍尔效应可以用来实现自旋转换和自旋注入等功能。
此外，自旋霍尔效应还可以用于制备自旋电子学器件中的自旋输运通道。
总结起来，磁隧道结和自旋霍尔效应是自旋电子学中的两个重要概念。
磁隧道结通过控制磁性材料的磁化方向实现电子的隧道传输，具有广泛的应用。
自旋霍尔效应则是由自旋引起的电荷输运现象，可以用于实现自旋转换和自旋注入等功能。
氢原子的量子力学描述电子自旋
荷兰物理学家塞曼发现，在强磁场中，一些元素的光谱线会发生分裂，分裂后 的线距与磁场强度有关。这一现象证明了电子具有自旋特性。
斯特恩-盖拉赫实验
德国物理学家斯特恩和盖拉赫通过实验发现，原子在强磁场中会发生偏转，偏 转方向与电子自旋方向有关。这一实验进一步证实了电子自旋的存在。
电子自旋的数学描述
05 氢原子量子力学与经典物 理的区别与联系
波粒二象性
总结词
波粒二象性是指量子力学中的基本特性，即粒子可以同时表现为波和粒子。在氢原子中，电子的波粒二象性表现 为其运动状态的波动性和粒子性。
详细描述
在经典物理中，物体被视为具有确定位置和速度的粒子，其运动轨迹可以精确描述。然而，在量子力学中，电子 等微观粒子被视为波和粒子的结合体，其位置和动量不能同时确定，而是存在不确定性。这种不确定性是由测不 准原理所限制的。
氢原子的量子力学描述电子自旋
目录
• 引言 • 电子自旋的发现与理解 • 氢原子的量子力学描述 • 电子自旋在氢原子中的应用 • 氢原子量子力学与经典物理的区别与联系 • 氢原子量子力学描述的实验验证与实际应
用 • 总结与展望
01 引言
氢原子简介
01
02
03
原子核
由一个质子组成，带正电 荷。
电子
电子自旋的量子化是量子力学的基本特征之一，对于理解物质的本质和性质具有重要意义。通过研究 氢原子的电子自旋，我们可以进一步探索其他复杂原子的电子自旋行为，为深入理解物质结构和性质 奠定基础。
对氢原子量子力学描述的进一步研究
氢原子是最简单的原子，其量子力学 描述相对较为简单。然而，对于更复 杂的原子和分子，其量子力学描述会 更加复杂。通过对氢原子量子力学描 述的进一步研究，我们可以探索更复 杂系统的量子力学行为，为解决实际 问题提供理论支持。
XPS谱图的形式
电子向表面输运并逸出（外禀损失）。
所有这些过程都对XPS谱的结构有贡献。
4.1、XPS谱图的初级结构
1.
2. 3.
光电子谱峰 俄歇电子谱峰 价带谱
4.1.1、光电子谱峰(photoelectron lines)
由于X射线激发源的光子能量较高，可以同时激发出多个 原子轨道的光电子，因此在XPS谱图上会出现多组谱峰。 由于大部分元素都可以激发出多组光电子峰，因此可以利 用这些峰排除能量相近峰的干扰，非常有利于元素的定性 标定。 最强的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的主谱线。每一种元素都有自己的具 有表征作用的光电子线。它是元素定性分析的主要依据。 光电子峰的标记:以光电子发射的元素和轨道来标记，如 C1s，Ag3d5/2等 此外，由于相近原子序数的元素激发出的光电子的结合能 有较大的差异，因此相邻元素间的干扰作用很小。
(2)非弹性本底
XPS谱显示出一特征的阶梯状本底，光电发射峰的 高结合能端本底总是比低结合能端的高。这是由 于体相深处发生的非弹性散射过程（外禀损失） 造成的。
平均来说，只有靠近表面的 电子才能无能量损失地逸出， 分布在表面中较深处的电子 将损失能量并以减小的动能 或增大的结合能的面貌出现， 在表面下非常深的电子将损 失所有能量而不能逸出。
利用背景变化可估算元素分布深度
(3)自旋-轨道分裂(SOS)
自旋-轨道分裂是一初态效应。对于 具有轨道角动量的轨道电子，将会 发生自旋(s)磁场与轨道角动量(l)的 耦合。总角动量 j =ls。对每个j 值自旋-轨道分裂能级的简并度 = 2 j + 1。 s 轨道无自旋-轨道分裂 – XPS中 单峰 p, d, f … 轨道是自旋-轨道分裂 的 – XPS中双峰 双峰中低j值的结合能EB较高(EB 2p1/2 > EB 2p3/2) 自旋-轨道分裂的大小随Z增加 自旋-轨道分裂的大小随与核的距离 增加(核屏蔽增加)而减小
ch3-3自旋和轨道相互作用以及能级精细结构
l0
l0
只要知道了各个量子数，即只要确定了原子的状态，便可以计算 出自旋—轨道相互作用能
4 0 h 2 4 0 2 a0 2 2 2 4 m e e me e me c
2 e e 4 hc 4 c
2 2 0 0
2 2 m e e 4 me e 4 2 me c R 2 3 2 3 (4 0 ) h c (4 0 ) c 4 2h
Ze Ze Ze Idl r dl r v dl r v rdl 2 r 2 r 0 Idl r 0 Ze v r B dl 3 4 4 r 4 2 r 0 Zer me v 0 Ze dl r me v 4 3 4 2 me r 4 me r
2 2 m e e 4 Z 2 1 Z 2e 2 En 2 2 2 (4 0 ) n h 4 0 2 n 2 a 0 1 hcR 2 cZ me 2 Z 2 n2 Z 4 J 2 L2 S 2 J *2 L*2 S *2 2 anl 1 n3l (l )(l 1) 2 2 2
L
1 Ze 2 1 S B S L (r ) S L 2 2 3 4 0 2me c r
角动量的改变等于力矩：
S L S，在作用下S的大小不变，只是方向发生变化， 其变化与L有关，这样S z不再具有确定值了
dS (r ) S L dt
自旋-轨道相互作用是原子内部的作用力，的反作用力矩 dL 则作用L上: ( r ) S L dt 同理：L变化与S 有关。总之：由于自旋-轨道相互作用 使L和S 耦合起来，以至每个取向都与另一个相关
XPS定性分析和图谱解析
第四章定性分析和谱图诠释●XPS和AES的表面灵敏特性，再加上非结构破坏性测试能力和可获得化学态信息的能力，使其成为表面分析的极有力工具。
●定性分析主要是鉴定物质的元素组成及其化学状态。
●XPS还可以进行官能团分析和混合物分析。
●XPS定性分析的相对灵敏度约为0.1%。
一、电子能谱图的一般特性●在XPS谱图中可观察到几种类型的谱峰。
●一部分是基本的并总可观察到—初级结构●另一些依赖于样品的物理和化学性质—次级结构●光电发射过程常被设想为三步（三步模型）：●光吸收和电离（初态效应）；●原子响应和光电子发射（终态效应）；●电子向表面输运并逸出（外禀损失）。
●所有这些过程都对XPS谱的结构有贡献。
1、XPS谱图的初级结构(1). 光电子谱线(photoelectron lines)●由于X射线激发源的光子能量较高，可以同时激发出多个原子轨道的光电子，因此在XPS谱图上会出现多组谱峰。
由于大部分元素都可以激发出多组光电子峰，因此可以利用这些峰排除能量相近峰的干扰，非常有利于元素的定性标定。
●最强的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的主谱线。
每一种元素都有自己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。
●光电子峰的标记:以光电子发射的元素和轨道来标记，如●C1s，Ag3d5/2等●此外，由于相近原子序数的元素激发出的光电子的结合能有较大的差异，因此相邻元素间的干扰作用很小。
光电子谱线峰位置(结合能)。
与元素及其能级轨道和化学态有关。
峰强度。
与元素在表面的浓度和原子灵敏度因子成正比。
对称性。
金属中的峰不对称性是由金属E F附近小能量电子-空穴激发引起，即价带电子向导带未占据态跃迁。
不对称度正比于费米能级附近的电子态密度。
峰宽(FWHM)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。
一般峰宽值在0.8~2.2 eV之间。
自旋轨道分裂拟合约束
自旋轨道分裂拟合约束自旋轨道分裂是指原子中电子自旋和电子轨道运动的相互作用，导致具有相同主量子数n、角量子数l但自旋量子数不同的电子具有不同的能量。
这个效应被广泛应用于解释原子的结构和性质，尤其是在化学中有着广泛的应用。
而自旋轨道分裂拟合约束则是一种通过拟合能级结构来确定原子的电子配置的方法，本文将对其进行详细介绍。
自旋轨道分裂效应和自旋轨道分裂能自旋轨道分裂效应是由于电子自旋和电子轨道运动的相互作用导致的。
在原子中，每个电子都处在自己的轨道中，同时具有自旋。
由于电子自身具有磁场，其自旋会产生磁矩，而运动中的电子也会产生磁矩。
这些磁矩之间的相互作用就导致了自旋轨道分裂效应。
自旋轨道分裂效应导致原子的能级发生分裂，具有相同主量子数n、角量子数l但自旋量子数不同的电子具有不同的能量。
这个自旋轨道分裂能（spin-orbit coupling energy）可以用公式ΔE = α（L·S）来表示，其中α为常数，L和S分别是电子轨道角动量和自旋角动量。
自旋轨道分裂能可以用来解释许多原子的性质，比如铜原子的顺磁性和镧系元素的稳定化效应。
而自旋轨道分裂拟合约束则是一种通过拟合能级结构来确定原子的电子配置的方法。
自旋轨道分裂拟合约束自旋轨道分裂拟合约束是一种基于拟合能级结构来确定原子的电子分布的方法。
这个方法需要确定原子的所有电子态的能级，然后通过拟合这些能级来确定原子的电子配置。
在自旋轨道分裂拟合约束中，需要选择一组可能的电子配置，然后计算它们的能级。
对这些计算出的能级进行分类，然后和实验测量得到的能级进行比较。
通过拟合实验和计算得到的能级，可以进一步确定原子的电子配置。
这个方法的优点是可以在计算机上进行自动化计算，并且能够排除一些不可能的电子构型。
这个方法的缺点是需要大量的计算和研究，所以一般只适用于小分子的计算。
比较拟合结果和实验结果通过自旋轨道分裂的拟合结果，可以得到原子的电子分布。
这些电子分布可以与实验测量结果进行比较，以进一步验证计算结果的准确性。
催化剂表征—电子能谱XPS分析
X射线光电子能谱
固体表面物理化学国家重点实验室（ 厦门大学）
Gerhard Ertl获2007年诺贝尔化学奖
• 2007年诺贝尔化学奖表彰的是表面化学的突破性研究。这个领域对化工产 业影响巨大，物质接触表面发生的化学反应对工业生产运作至关重要。同 时，表面化学研究有助于我们理解各种不同的过程，比如为何铁会生锈， 燃料电池如何发挥作用以及我们汽车中加入的催化剂如何工作。表面化学 研究甚至可以解释臭氧层的破坏。此外，半导体产业的发展与表面化学研 究也是息息相关。
2. XPS方法原理与仪器装置
固体表面物理化学国家重点实验室（ 厦门大学）
X-射线光电子能谱（XPS）
• 方法原理：具有足够能量的X射线与样品相 互作用， X光子把全部能量转移给原子或分 子中的束缚电子，使不同能级的电子以特定 几率电离。检测不同能量的光电离电子的强 度分布称为X-射线光电子能谱（XPS）
• 利用震激峰可以研究分子的结构。
固体表面物理化学国家重点实验室（ 厦门大学）
21
震激峰（shake-up)
固体表面物理化学国家重点实验室（ 厦门大学）
22
等离子体激元损失峰（plasmon）
• 任何具有足够能量的电子通过固体时，均可以引起导带“电 子气”的集体振荡。
• 这种集体振荡的特征频率与材料的特性有关。 • 体相等离子体激元振荡的能量是量子化的，在谱图上会出现
电子能量分析器电子控制系统数据采集和处理系统进样室分析室x光枪真空系统能量分析器计算机系统离子枪xx射线光电子能谱仪结构框图固体表面物理化学国家重点实验室厦门大学28vgescalabmkii固体表面物理化学国家重点实验室厦门大学29vgmultilab2000固体表面物理化学国家重点实验室厦门大学30thermovgesca250固体表面物理化学国家重点实验室厦门大学31thermovgthetaprobe固体表面物理化学国家重点实验室厦门大学32xx射线扫描微探针光电子谱仪quanterasxmscanningxraymicroprobe固体表面物理化学国家重点实验室厦门大学33xx射线扫描微探针光电子谱仪quantum2000scanningescamicroprobe固体表面物理化学国家重点实验室厦门大学34internalviewshowingtheintegratedbakeoutsystemandintroductionchamberwithopticalcameranoimagequantrasxmquantum2000固体表面物理化学国家重点实验室厦门大学35egunmonochromatoriongunanalyzerquantrasxmquantum2000vacuumchamber内部构造固体表面物理化学国家重点实验室厦门大学36shimadzukratosaxishs固体表面物理化学国家重点实验室厦门大学37gammadatases2002固体表面物理化学国家重点实验室厦门大学38多功能表面分析实验室固体表面物理化学国家重点实验室厦门大学39vgescalabmkii电子能谱仪基本结构图固体表面物理化学国家重点实验室厦门大学40xx射线源固体表面物理化学国家重点实验室厦门大学41vgesca250单色器示意图石英晶体晶面bragg关系
二价锰原子和三价中能级分裂及自旋态
二价锰原子和三价中能级分裂及自旋态下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
文档下载后可定制修改，请根据实际需要进行调整和使用，谢谢!本店铺为大家提供各种类型的实用资料，如教育随笔、日记赏析、句子摘抄、古诗大全、经典美文、话题作文、工作总结、词语解析、文案摘录、其他资料等等，想了解不同资料格式和写法，敬请关注!Download tips: This document is carefully compiled by this editor. I hope that after you download it, it can help you solve practical problems. The document can be customized and modified after downloading, please adjust and use it according to actual needs, thank you! In addition, this shop provides you with various types of practical materials, such as educational essays, diary appreciation, sentence excerpts, ancient poems, classic articles, topic composition, work summary, word parsing, copy excerpts, other materials and so on, want to know different data formats and writing methods, please pay attention!二价锰原子和三价中能级分裂及自旋态引言在原子物理学中，锰是一个备受关注的元素，因为它展现了丰富的电子结构和磁性行为。
球谐函数用于描述自旋轨道电子互相作用的函数
球谐函数用于描述自旋轨道电子互相作用的函数自旋轨道相互作用（SOC）是一种关键的物理现象，它描述了自旋与轨道运动的相互影响。
在原子和分子中，SOC对能级结构、磁性质和光学性质具有深远的影响。
为了更好地理解SOC，科学家们引入了球谐函数。
本文将探讨球谐函数在描述自旋轨道电子相互作用中的应用。
在量子力学中，自旋和轨道运动是电子固有的两种运动形式。
自旋是电子固有的角动量，可以看作是电子自身围绕轴线旋转的结果。
轨道运动则描述了电子在原子核周围的运动。
自旋和轨道运动之间存在相互作用，这种相互作用导致了电子能级的分裂和不对称性。
球谐函数是用于描述自旋轨道相互作用的数学工具。
它们是球坐标系中的解析函数，用于表示球对称性系统。
球谐函数的形式如下：Y<sup>l</sup><sub>m</sub>(θ, φ)其中，l代表轨道角量子数，m代表自旋角量子数，θ和φ分别代表球坐标系的极角和方位角。
球谐函数描述了粒子在球面上的分布情况，它们的平方与电子的概率密度成正比。
在自旋轨道电子相互作用中，球谐函数还与自旋磁矩相关。
自旋磁矩是与电子自旋相关的性质，它会在外加磁场中产生移动。
自旋磁矩与球谐函数的乘积描述了自旋轨道电子相互作用的强度和方向。
球谐函数在自旋轨道电子相互作用中的应用可以从各个层面进行讨论。
首先，它们可以用来解释原子和分子中的能级结构。
自旋轨道相互作用会导致电子能级的分裂，而球谐函数可以用来描述分裂的大小和形状。
通过数值计算和实验证实，球谐函数能够准确地预测和解释实验观测到的能级结构。
其次，球谐函数还可以用于描述材料的磁性质。
在具有强SOC的材料中，电子的自旋磁矩与球谐函数的耦合会导致材料表现出特殊的磁性行为，如自旋谷耦合和拓扑绝缘体。
通过分析球谐函数和自旋磁矩的关系，科学家可以预测和设计具有特殊磁性性质的新材料。
此外，球谐函数还可以用于解释光学性质和电子输运性质。
自旋轨道分裂
5.2.2、多重分裂(multiplet splitting)
偶尔会看到s轨道的分裂。与价壳层中存在未配对电子相关。 这种现象普遍发生在过渡元素及其化合物里，其裂分的距离往往是对元素
的化学状态的表征。根据谱线是否劈裂，裂分的距离有多大，再结合谱线 能量的位移和峰形的变化，常常能准确地确定一元素的化学状态。由于裂 分距离与荷电无关，这对绝缘样品的分析尤其有利。 在很多例子中耦合效应被震激效应掩盖和干扰，所以在化学状态分析中， 从谱线裂分所获得的信息必须与其他信息相结合，才能作出可靠的判断。
由于X射线激发源的光子能量较高，可以同时激发出多个 原子轨道的光电子，因此在XPS谱图上会出现多组谱峰。 由于大部分元素都可以激发出多组光电子峰，因此可以利 用这些峰排除能量相近峰的干扰，非常有利于元素的定性 标定。
最强的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的主谱线。每一种元素都有自己的具 有表征作用的光电子线。它是元素定性分析的主要依据。
（3）自旋-轨道分裂(SOS)
自旋-轨道分裂是一初态效应。对 于具有轨道角动量的轨道电子， 将会发生自旋(s)磁场与轨道角动 量(l)的耦合。总角动量 j =ls。 对每个j值自旋-轨道分裂能级的简 并度 = 2j + 1。
s 轨道无自旋-轨道分裂 – XPS中单 峰
p, d, f … 轨道是自旋-轨道分裂的 – XPS中双峰
5.3、AES谱图的特征性质
AES谱的表示：（Fe LMM）
AES的直接谱图：
AES的微分谱图：
微分谱将直接谱的每一个峰转化为一对正、负峰。 负峰所对应的能量为阈值能；利用峰-峰高度确定信息强度。
价带和导带的自旋分裂
价带和导带的自旋分裂价带和导带的自旋分裂1. 引言价带和导带的自旋分裂是固体物理学中的重要概念。
自旋是电子的量子属性之一，与电荷、质量和自由度密切相关。
价带和导带是电子在固体中所占据的能级区域，它们的自旋分裂现象对于我们理解和研究材料的电子性质具有重要意义。
本文将对价带和导带的自旋分裂进行全面评估，并探讨其深度和广度。
2. 价带和导带的基本概念在固体中，电子填充在能带中的能级。
将电子能级按照电子能量从低到高排列，其中填充电子的能级称为价带，而未被填充的电子能级则称为导带。
价带和导带之间存在能隙，即能量差。
电子在价带和导带之间的跃迁，决定了材料的导电、绝缘或半导体特性。
3. 自旋的基本概念自旋是电子的一种内禀自由度，可以理解为电子围绕自身轴心旋转产生的角动量。
自旋轨道耦合是电子的自旋与其轨道运动的耦合，在固体物理学中也具有重要意义。
自旋还和磁性、磁场以及价带和导带的能带结构密切相关。
电子的自旋有两种可能性，即向上自旋和向下自旋，可以用自旋向量表示。
4. 价带和导带的自旋分裂在某些材料中，价带和导带的能带结构会受到自旋-轨道相互作用的影响，导致能带上的电子的自旋在能级上分裂成多个离散的能级。
这种现象就是价带和导带的自旋分裂。
自旋分裂会使得材料的能带结构发生改变，影响电子在材料中的行为和性质。
自旋分裂的大小和性质取决于材料的晶体结构和元素组成，并可以通过实验观测和理论计算进行研究和解释。
5. 价带和导带的自旋分裂对材料性质的影响价带和导带的自旋分裂对材料的电导率、光学性质、磁性、拓扑特性等具有重要影响。
自旋分裂的大小决定了价带和导带之间的能隙宽度，这将直接影响材料的电导率。
自旋分裂还会影响光学性质，例如能带间跃迁的选择性和透射谱的特征。
对于磁性材料来说，自旋分裂也会影响材料的磁性行为，如静磁特性和磁各向异性。
近年来，拓扑材料的研究也发现了自旋分裂现象在实现特殊拓扑性质方面的重要作用。
6. 价带和导带的自旋分裂的研究方法和应用研究人员通过实验和理论计算等手段来研究价带和导带的自旋分裂现象。
第5章、谱图的一般特征
MnF2的Mn3s电子的XPS谱
5.2.3、能量损失谱线(energy loss lines)
对于某些材料，光电子在离开样品表面 的过程中，可能与表面的其它电子相互 作用而损失一定的能量，而在 XPS 低动 能侧出现一些伴峰，即能量损失峰。 任何具有足够能量的电子通过固体时， 可以引起固体中自由电子的集体振荡。 因材料的不同，这种集体振荡的特征频 率也不同，故而所需要的激发能亦因之 而异。体相等离子体激元震荡基频为ωb， 其能量损失是量子化的 (ħωb) 。如受到 多次损失，在谱图上将呈现一系列等间 距的峰，强度逐渐减弱。
光电离过程中，电 子占有能级的宽度
10−15 E = = Γ ∆= (eV ) 2τ τ
Ag3d:10-14s Ag3s:10-15s
（2）非弹性本底
XPS谱显示出一特征的阶梯状本底，光电发射峰的高结 合能端本底总是比低结合能端的高。这是由于体相深处 发生的非弹性散射过程（外禀损失）造成的。 平均来说，只有靠近表面的 电子才能无能量损失地逸出， 分布在表面中较深处的电子 将损失能量并以减小的动能 或增大的结合能的面貌出现， 在表面下非常深的电子将损 失所有能量而不能逸出。
5.3、AES谱图的特征性质
AES谱的表示：（Fe
AES的直接谱图：
LMM）
AES的微分谱图：
微分谱将直接谱的每一个峰转化为一对正、负峰。 负峰所对应的能量为阈值能；利用峰-峰高度确定信息强度。
几种元素单质和氧化物的俄歇电子峰位变化
思考题
1.
在XPS谱图中可观察到哪几种不同类型的谱峰？ 并可从这些类型谱峰中分别能得到哪些与物质 相关的物理和化学信息？
电子散射效应等离子体激元损失峰
- 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)。
光电离过程中，电 子占有能级的宽度
Eh
1015 (eV)
2
Ag3d:10-14s Ag3s:10-15s
（2）非弹性本底
XPS谱显示出一特征的阶梯状本底，光电发射峰的高 结合能端本底总是比低结合能端的高。这是由于体相 深处发生的非弹性散射过程（外禀损失）造成的。
平均来说，只有靠近表面的 电子才能无能量损失地逸出， 分布在表面中较深处的电子 将损失能量并以减小的动能 或增大的结合能的面貌出现， 在表面下非常深的电子将损 失所有能量而不能逸出。
（3）自旋-轨道分裂(SOS)
自旋-轨道分裂是一初态效应。对 于具有轨道角动量的轨道电子， 将会发生自旋(s)磁场与轨道角动 量(l)的耦合。总角动量 j =ls。 对每个j值自旋-轨道分裂能级的简 并度 = 2j + 1。
s 轨道无自旋-轨道分裂 – XPS中单 峰
p, d, f … 轨道是自旋-轨道分裂的 – XPS中双峰
光电子峰的标记:以光电子发射的元素和轨道来标记，如
C1s，Ag3d5/2等
此外，由于相近原子序数的元素激发出的光电子的结合能 有较大的差异，因此相邻元素间的干扰作用很小。
（1）光电子谱线特征
峰位置(结合能)。与元素及其能级轨道和化学态有关。
峰强度。与元素在表面的浓度和原子灵敏度因子成正比。
的能量h无关。
在XPS中，可以观察到 KLL, LMM, MNN和 NOO四个系列的俄歇线。
俄歇电子峰多以谱线群 的形式出现。
5.1.3、价带谱结构
由固体材料中原子和分子 价电子能级所形成宽的能 带结构。
价电子形成有效的分子轨 道而属于整个分子。
根据价电子线的结合能的 变化和价电子线的峰形变 化的规律来判断该元素在 不同化合物分子中的化学 状态及有关的分子结构。
数据采集模式：
全扫描谱(Survey scan)：扫描能量范围宽 （01100eV），灵敏度高(分辨力低)，元素鉴别。
高分辨谱(Detail scan)：扫描能量范围窄(20eV左 右)，分辨力高，主要用于元素化学态分析。
5.0、XPS谱图的形式
在XPS谱图中可观察到多种类型的谱峰。
一部分是基本的并总可观察到—初级结构 另一些依赖于样品的物理和化学性质—次级结构
第5章、谱图的一般特征
1. XPS谱图的初级结构 2. XPS谱图的次级结构 3. AES谱图的特征性质
5.0、XPS谱图的形式
XPS谱图的采集：
XPS谱图是通过用X射线照射样品材料的同时测量 从材料表面出射的电子的能量和数目而得到的。
XPS谱图的形式：
光电子信号强度I 随能量的变化关系(I ~ EB)；
芳香或不饱和结构相关。出现在比 主峰结合能约高6.7 eV的位置处。
5.2.2、多重分裂(multiplet splitting)
偶尔会看到s轨道的分裂。与价壳层中存在未配对电子相关。 这种现象普遍发生在过渡元素及其化合物里，其裂分的距离往往是对元素
的化学状态的表征。根据谱线是否劈裂，裂分的距离有多大，再结合谱线 能量的位移和峰形的变化，常常能准确地确定一元素的化学状态。由于裂 分距离与荷电无关，这对绝缘样品的分析尤其有利。 在很多例子中耦合效应被震激效应掩盖和干扰，所以在化学状态分析中， 从谱线裂分所获得的信息必须与其他信息相结合，才能作出可靠的判断。
子体激元震荡基频为b，其能量损 失 是 量 子 化 的 (ħb) 。 如 受 到 多 次
损失，在谱图上将呈现一系列等间 距的峰，强度逐渐减弱。
对称性。金属中的峰不对称性是由金属EF附近小能量电
子-空穴激发引起，即价带电子向导带未占据态跃迁。 不对称度正比于费米能级附近的电子态密度。
峰宽(FWHM)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Γ、X射线源的自然线宽、仪器参数以及
样品自身状况的宽化因素等四个方面的贡献。
一般高分辨主峰峰宽值在0.3～1.7 eV之间。
双峰中低j值的结合能EB较高(EB 2p1/2 > EB 2p3/2)
自旋-轨道分裂的大小随Z增加 自旋-轨道分裂的大小随与核的距
离增加(核屏蔽增加)而减小
5.1.2、俄歇电子谱线(Auger lines)
由弛豫过程中(芯能级存 在空穴后)原子的剩余能 量产生。它总是伴随着 XPS，具有比光电发射 峰更宽和更为复杂的结 构，其动能与入射光子
5.2、XPS谱图的次级结构
1. 震激谱峰 2. 多重分裂峰 3. 能量损失峰
5.2.1、震激谱线(shake-up lines)
震激特征在与顺磁物质关联的过渡 金属氧化物中是十分普遍的。常出 现在具有未充满的d或f价轨道的过 渡金属化合物和稀土化合物中。
某些具有共轭电子体系的化合物。 有机物中碳的C 1s震激峰(*)与
由于X射线激发源的光子能量较高，可以同时激发出多个 原子轨道的光电子，因此在XPS谱图上会出现多组谱峰。 由于大部分元素都可以激发出多组光电子峰，因此可以利 用这些峰排除能量相近峰的干扰，非常有利于元素的定性 标定。
最强的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的主谱线。每一种元素都有自己的具 有表征作用的光电子线。它是元素定性分析的主要依据。
光电发射过程常被设想为三步（三步模型）：
光吸收和电离（初态效应）； 原子响应和光电子发射（终态效应）； 电子向表面输运并逸出（外禀损失）。
所有这些程都对XPS谱的结构有贡献。
5.1、XPS谱图的初级结构
1. 光电子谱峰 2. 俄歇电子谱峰 3. 价带谱
5.1.1、光电子谱线(photoelectron lines)
MnF2的Mn3s电子的XPS谱
5.2.3、能量损失谱线(energy loss lines)
➢ 对于某些材料，光电子在离开样品 表面的过程中，可能与表面的其它 电子相互作用而损失一定的能量， 而在XPS低动能侧出现一些伴峰， 即能量损失峰。
➢ 任何具有足够能量的电子通过固体 时，可以引起固体中自由电子的集 体振荡。因材料的不同，这种集体 振荡的特征频率也不同，故而所需 要的激发能亦因之而异。体相等离