第八章 X射线光电子能谱(XPS) 有机波谱分析课件ppt
合集下载
X-射线光电子能谱.ppt
电子结合能，电子就可从原子的各个能级发射出来。 但是，实际上物质在一定能量的光子作用下，从原 子中各个能级发射出的光电子数是不同的，也就是 说，原子中不同能级电子的光离子化几率不同。光 离子化几率可以用光电(效应)截面σ来表示 σ定义：某能级电子对入射光子有效能量转移面积
XPS－基本原理
光电截面是决定灵敏度的主要因素 影响因素：电子所在壳层的平均半径，
样品的制备
1. 样品的大小
• 在实验过程中样品必须通过传递杆，穿过超高真空隔离 阀，送进样品分析室。因此，样品的尺寸必须符合一定 的大小规范。
• 对于块体样品和薄膜样品，其长宽最好小于10 mm, 高 度小于5 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。
1
K
1s
13－33
2
L
2p
34－66
3
M
3d
67－71
4
N
4d
72－92
4
N
4f
XPS－基本原理
3.光电子逸出深度 自样品表面发射出的光电子，在穿过样品时，一部分
光电子会产生非弹性散射(即改变运动方向并有能量损 失的碰撞)。电子能谱所研究的信息深度取决于逸出电 子的非弹性散射平均自由程
电子逸出深度(平均自由程)是指电子在经受非弹性碰 撞前所经历的平均距离。
第八章X-射线光电子能谱
X-Ray Photoelectron Spectroscopy
表面:
一、表面分析概述
物质存在的一种形态，气态，液态，固态， 表面态
固体表面：
理想的---固体终端
实际的---体相性质开始变化，
5～20 nm数量级
表面特点：
XPS－基本原理
光电截面是决定灵敏度的主要因素 影响因素：电子所在壳层的平均半径，
样品的制备
1. 样品的大小
• 在实验过程中样品必须通过传递杆，穿过超高真空隔离 阀，送进样品分析室。因此，样品的尺寸必须符合一定 的大小规范。
• 对于块体样品和薄膜样品，其长宽最好小于10 mm, 高 度小于5 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。
1
K
1s
13－33
2
L
2p
34－66
3
M
3d
67－71
4
N
4d
72－92
4
N
4f
XPS－基本原理
3.光电子逸出深度 自样品表面发射出的光电子，在穿过样品时，一部分
光电子会产生非弹性散射(即改变运动方向并有能量损 失的碰撞)。电子能谱所研究的信息深度取决于逸出电 子的非弹性散射平均自由程
电子逸出深度(平均自由程)是指电子在经受非弹性碰 撞前所经历的平均距离。
第八章X-射线光电子能谱
X-Ray Photoelectron Spectroscopy
表面:
一、表面分析概述
物质存在的一种形态，气态，液态，固态， 表面态
固体表面：
理想的---固体终端
实际的---体相性质开始变化，
5～20 nm数量级
表面特点：
X射线光电子能谱(XPS)原理课件ppt
其结合能均为284.6 eV；而在C60材料 中，其结合能为284.75 eV。由于C 1 峰的结合能变化很小，难以从C1s峰 结合能来鉴别这些纳米碳材料。C60材 料的震激峰的结构与石墨和碳纳米管
材料的有很大的区别
2021/3/10
20
例5：确定二氧化钛膜中+4价和+3价的比例。 对不同价态的谱峰分别积分得到谱峰面积；
振激峰也是出现在其低能端，比主峰 高几ev，并且一条光电子峰可能有几 条振激伴线。（如右图所示）
强度I
振离峰
主峰 振激峰
2021/3/10
动能Ek
15
XPS谱图的解释步骤：
• 在XPS谱图中首先鉴别出C、O的谱峰（通常比较明
显）。 • 鉴别各种伴线所引起的伴峰。 • 先确定最强或较强的光电子峰，再鉴定弱的谱线。 • 辨认p、d、f自旋双重线，核对所得结论。
查各价态的灵敏度因子，利用公式求各价态的比 例。
2021/3/10
21
例6：化学结构分析 依据：原子的化学环境与 化学位移之间的关系；
羰基碳上电子云密度小， 1s电子结合能大（动能小 ）；峰强度比符合碳数比 。
2021/3/10
22
谢谢观赏
2021/3/10
23
放映结束 感谢各位的批评指导！
素的灵敏度具有相同的数量级。
• （2）相邻元素的同种能级的谱线相隔较远，相互干 扰较少，元素定性的标识性强。
• （3）能够观测化学位移。化学位移同原子氧化态、 原子电荷和官能团有关。化学位移信息是XPS用作 结构分析和化学键研究的基础。
• （4）可作定量分析。既可测定元素的相对浓度，又 可测定相同元素的不同氧化态的相对浓度。
2021/3/10
材料的有很大的区别
2021/3/10
20
例5：确定二氧化钛膜中+4价和+3价的比例。 对不同价态的谱峰分别积分得到谱峰面积；
振激峰也是出现在其低能端，比主峰 高几ev，并且一条光电子峰可能有几 条振激伴线。（如右图所示）
强度I
振离峰
主峰 振激峰
2021/3/10
动能Ek
15
XPS谱图的解释步骤：
• 在XPS谱图中首先鉴别出C、O的谱峰（通常比较明
显）。 • 鉴别各种伴线所引起的伴峰。 • 先确定最强或较强的光电子峰，再鉴定弱的谱线。 • 辨认p、d、f自旋双重线，核对所得结论。
查各价态的灵敏度因子，利用公式求各价态的比 例。
2021/3/10
21
例6：化学结构分析 依据：原子的化学环境与 化学位移之间的关系；
羰基碳上电子云密度小， 1s电子结合能大（动能小 ）；峰强度比符合碳数比 。
2021/3/10
22
谢谢观赏
2021/3/10
23
放映结束 感谢各位的批评指导！
素的灵敏度具有相同的数量级。
• （2）相邻元素的同种能级的谱线相隔较远，相互干 扰较少，元素定性的标识性强。
• （3）能够观测化学位移。化学位移同原子氧化态、 原子电荷和官能团有关。化学位移信息是XPS用作 结构分析和化学键研究的基础。
• （4）可作定量分析。既可测定元素的相对浓度，又 可测定相同元素的不同氧化态的相对浓度。
2021/3/10
第八章-X射线光电子能谱(XPS)
3.俄歇电子能谱法(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。
4. X射线光电子能谱法（XPS），采用能量为1000~1500eV 的X射线源，能激发内层电子, 使物质光电离、光电子发 射，研究其激发过程及其能量关系，各种元素内层电子的 结合能是有特征性的，因此可以用来鉴别化学元素。又称 为化学分析用电子能谱法（ESCA）。
KE = hv - BE
3 元素不同，其特征的电子键能不同。测量电子动能KE ， 就得到对应每种元素的一系列BE-光电子能谱，就得到 电子键能数据。
4 谱峰强度代表含量，谱峰位置的偏移代表价态与环境的 变化-化学位移。
Ag的光电子能谱图（MgK激发）
➢ Core level electrons are ejected by the xray radiation
X射线
K1 K2 K’ K3 K4 K5 K6 K
Mg 靶
能量(eV)
相对强度
1253.7
67.0
1253.4
33.0
1258.2
1.0
1262.1
9.2
1263.1
5.1
1271.0
0.8
1274.2
0.5
1302.0
2.0
Al 靶
能量(eV)
相对强度
1486.7
67.0
1486.3
33.0
1492.3
2p 2s
发射出的光电子Ejected Photoelectron
Free Electron Level Fermi Level
L2,L3 L1
《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
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
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。
X射线光电子能谱分析PPT课件
X射线光电子能谱分析（XPS） X-ray Photoelectron Spectroscopy
汇报人：张亚娜 组员：高悦 青格乐 曲慧慧
主要内容
一、XPS的发展 二、XPS的基本原理 三、光电子能谱仪实验技术 四、X射线光电子能谱的应用
一、XPS的发展
X射线是由德国物理学家伦琴（Wilhelm Conrad Röntgen，l845-1923）于1895年发现的，他由此获得了 1901年首届诺贝尔物理学奖。
组成的电子能谱图，每个
峰对应于一个原子能级（s
、p、d、f）
光子的一部分能量用来克服轨道电子结合能( EB)，
余下的能量便成为发射光电子(e - ) 所具有的动能
( EK)，这就是光电效应。用公式表示为：
Ek = hν- EB –Ws
结合能( EB)：电子克服原子核束缚和周围电子的
作 用，到达费米能级所
j L 1/2
3 ……,
l—为角量子数，l = 0, 1, 2,
注意: 在XPS谱图中自旋－轨道偶合作用的结
果，使l不等于0（非s轨道）的电子在XPS谱图
上出现双峰，而S轨道上的电子没有发生能级分
裂，所以在XPS谱图中只有一个峰。
2、化学位移
1. 定义 由于化合物结构的变化和元素氧化状
态的变化引起谱峰有规律的位移称为化学位移 2. 化学位移现象起因及规律 （1）原因
X射线光电子能谱（ XPS ，全称为Xray Photoelectron Spectroscopy）
是一种基于光电效应的电子能谱，它 是利用X射线光子激发出物质表面原子 的内层电子，通过对这些电子进行能 量分析而获得的一种能谱。
这种能谱最初是被用来进行化学分析 ，因此它还有一个名称，即化学分析
汇报人：张亚娜 组员：高悦 青格乐 曲慧慧
主要内容
一、XPS的发展 二、XPS的基本原理 三、光电子能谱仪实验技术 四、X射线光电子能谱的应用
一、XPS的发展
X射线是由德国物理学家伦琴（Wilhelm Conrad Röntgen，l845-1923）于1895年发现的，他由此获得了 1901年首届诺贝尔物理学奖。
组成的电子能谱图，每个
峰对应于一个原子能级（s
、p、d、f）
光子的一部分能量用来克服轨道电子结合能( EB)，
余下的能量便成为发射光电子(e - ) 所具有的动能
( EK)，这就是光电效应。用公式表示为：
Ek = hν- EB –Ws
结合能( EB)：电子克服原子核束缚和周围电子的
作 用，到达费米能级所
j L 1/2
3 ……,
l—为角量子数，l = 0, 1, 2,
注意: 在XPS谱图中自旋－轨道偶合作用的结
果，使l不等于0（非s轨道）的电子在XPS谱图
上出现双峰，而S轨道上的电子没有发生能级分
裂，所以在XPS谱图中只有一个峰。
2、化学位移
1. 定义 由于化合物结构的变化和元素氧化状
态的变化引起谱峰有规律的位移称为化学位移 2. 化学位移现象起因及规律 （1）原因
X射线光电子能谱（ XPS ，全称为Xray Photoelectron Spectroscopy）
是一种基于光电效应的电子能谱，它 是利用X射线光子激发出物质表面原子 的内层电子，通过对这些电子进行能 量分析而获得的一种能谱。
这种能谱最初是被用来进行化学分析 ，因此它还有一个名称，即化学分析
X射线光电子能谱分析ppt
在生物学领域，XPS技术可以用于研究生物分子的结 构、细胞表面的化学成分等。
02
x射线光电子能谱分析实验技术
样品的制备和处理技术
1 2
固体样品研磨
将固体样品研磨成粉末，以提高X射线的透射性 和激发效率。
液体样品处理
对于液体样品，需要进行蒸发、干燥等处理， 以便在实验过程中保持稳定的样品形态。
3
气体样品控制
THANK YOU.
细胞和组织成像
利用X射线光电子能谱分析可以研究细胞和组织的结构和功能 ，如细胞膜的通透性和细胞骨架的分布等。同时也可以测定 细胞内自由基的分布和数量，为抗氧化剂药物的设计提供依 据。
05
x射线光电子能谱分析的挑战和前景
实验技术的局限性
01
样品制备难度大
02
信号衰减问题
需要选择合适的样品制备方法，以减 少表面吸附物和污染物的干扰。
2023
x射线光电子能谱分析ppt
目录
• 引言 • x射线光电子能谱分析实验技术 • x射线光电子能谱分析在材料科学中的应用 • x射线光电子能谱分析在生物学中的应用 • x射线光电子能谱分析的挑战和前景 • 参考文献 • 结论
01
引言
x射线光电子能谱简介
x射线光电子能谱技术（XPS）是一种表面分析技术，用于测 量样品表面的元素组成和化学状态。
04
x射线光电子能谱分析在生物学中的 应用
在生物大分子结构研究中的应用
确定生物大分子中的元素组成
通过X射线光电子能谱分析，可以测定生物大分子中的元素组成，如蛋白质 、核酸和多糖等。
研究生物大分子结构
利用X射线光电子能谱分析可以研究生物大分子的结构，如蛋白质的三维构象 和核酸的二级结构等。
02
x射线光电子能谱分析实验技术
样品的制备和处理技术
1 2
固体样品研磨
将固体样品研磨成粉末，以提高X射线的透射性 和激发效率。
液体样品处理
对于液体样品，需要进行蒸发、干燥等处理， 以便在实验过程中保持稳定的样品形态。
3
气体样品控制
THANK YOU.
细胞和组织成像
利用X射线光电子能谱分析可以研究细胞和组织的结构和功能 ，如细胞膜的通透性和细胞骨架的分布等。同时也可以测定 细胞内自由基的分布和数量，为抗氧化剂药物的设计提供依 据。
05
x射线光电子能谱分析的挑战和前景
实验技术的局限性
01
样品制备难度大
02
信号衰减问题
需要选择合适的样品制备方法，以减 少表面吸附物和污染物的干扰。
2023
x射线光电子能谱分析ppt
目录
• 引言 • x射线光电子能谱分析实验技术 • x射线光电子能谱分析在材料科学中的应用 • x射线光电子能谱分析在生物学中的应用 • x射线光电子能谱分析的挑战和前景 • 参考文献 • 结论
01
引言
x射线光电子能谱简介
x射线光电子能谱技术（XPS）是一种表面分析技术，用于测 量样品表面的元素组成和化学状态。
04
x射线光电子能谱分析在生物学中的 应用
在生物大分子结构研究中的应用
确定生物大分子中的元素组成
通过X射线光电子能谱分析，可以测定生物大分子中的元素组成，如蛋白质 、核酸和多糖等。
研究生物大分子结构
利用X射线光电子能谱分析可以研究生物大分子的结构，如蛋白质的三维构象 和核酸的二级结构等。
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；
《谱学导论》第八章 电子能谱 PPT教学课件
射线相比能量较低，只能使原子的价电子电离，用于
研究价电子和能带结构的特征。
AES大都用电子作激发源，因为电子激发得到的俄歇电 子谱强度较大。
光电子或俄歇电子，在逸出的路径上自由程很短，实 际能探测的信息深度只有表面几个至十几个原子层， 光电子能谱通常用来作为表面分析的方法。
8.2 紫外光电子能谱(UPS)
8.4 俄歇电子能谱(AES)
•1925年法国的物理学家俄歇（P.Auger）在用X射线研究光 电效应时就已发现俄歇电子，并对现象给予了正确的解释。
•1968年L.A.Harris采用微分电子线路，使俄歇电子能谱开始 进入实用阶段。
•1969年，Palmberg、Bohn和Tracey引进了筒镜能量分析器， 提高了灵敏度和分析速度，使俄歇电子能谱被广泛应用。
8.3 X射线光电子能谱（XPS）
由于各种原子轨道中电子的结合能是一定的，因此 XPS 可用来测定固体表面的化学成分,一般又称为化 学分析光电子能谱法（ Electron Spectroscopy for Chemical Analysis，简称 ESCA）。
与紫外光源相比，射线的线宽在0.7eV以上，因此 不能分辨出分子、离子的振动能级。
和
3 之间
4
数
WXY俄歇过程示意图
另一表达式
俄歇跃迁能量的另一表达式为：
俄歇过程至少有两个能级和三个电子参与，所 以氢原子和氦原子不能产生俄歇电子。(Z3)孤 立的锂原子因最外层只有一个电子，也不能产 生俄歇电子，但固体中因价电子是共用的，所
以金属锂可以发生 KVV 型的俄歇跃迁。
8.4.2 俄歇谱图
在实验时样品表面受辐照损伤小，能检测周期表中 除 H 和 He 以外所有的元素，并具有很高的绝对灵 敏度。因此是目前表面分析中使用最广的谱仪之一。
X射线光电子能谱XPS介绍及分析PPT教案
36
计数 / 任意单位
有机碳 285.0 eV 60 min 40 min 20 min
Surface
金属碳化物 280.8 eV
1. 在PZT薄膜表面，C 1s的结 合能为285.0 eV和281.5eV ，分别对应于有机碳和金属 碳化物。
2. 有机碳是主要成分，可能是 由表面污染所产生的。随着 溅射深度的增加，有机碳的 信号减弱，而金属碳化物的 峰增强。
XPS定性分析
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。
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。
15
XPS定性分析方法
最常用的分析方法，一般利用XPS谱仪的宽扫描程序。为 了提高定性分析的灵敏度，一般应加大通能，提高信噪比
通常XPS谱图的横坐标为结合能，纵坐标为光电子的计数 率。
在分析谱图时，首先必须考虑的是消除荷电位移。对于金 属和半导体样品几乎不会荷电，因此不用校准。但对于绝 缘样品，则必须进行校准。因为，当荷电较大时，会导致 结合能位置有较大的偏移，导致错误判断。
对于无机污染物，可以采用表面打磨以及离子束 溅射的方法来清洁样品。
为了保证样品表面不被氧化，一般采用自然干燥。
8
带有磁性的材料
由于光电子带有负电荷，在微弱的磁场作用下，也可以 发生偏转。当样品具有磁性时，由样品表面出射的光电 子就会在磁场的作用下偏离接收角，最后不能到达分析 器，因此，得不到正确的XPS谱。
样品表面荷电相当于给从表面出射的自由的光电子增加 了一定的额外电场, 使得测得的结合能比正常的要高。
计数 / 任意单位
有机碳 285.0 eV 60 min 40 min 20 min
Surface
金属碳化物 280.8 eV
1. 在PZT薄膜表面，C 1s的结 合能为285.0 eV和281.5eV ，分别对应于有机碳和金属 碳化物。
2. 有机碳是主要成分，可能是 由表面污染所产生的。随着 溅射深度的增加，有机碳的 信号减弱，而金属碳化物的 峰增强。
XPS定性分析
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。
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。
15
XPS定性分析方法
最常用的分析方法，一般利用XPS谱仪的宽扫描程序。为 了提高定性分析的灵敏度，一般应加大通能，提高信噪比
通常XPS谱图的横坐标为结合能，纵坐标为光电子的计数 率。
在分析谱图时，首先必须考虑的是消除荷电位移。对于金 属和半导体样品几乎不会荷电，因此不用校准。但对于绝 缘样品，则必须进行校准。因为，当荷电较大时，会导致 结合能位置有较大的偏移，导致错误判断。
对于无机污染物，可以采用表面打磨以及离子束 溅射的方法来清洁样品。
为了保证样品表面不被氧化，一般采用自然干燥。
8
带有磁性的材料
由于光电子带有负电荷，在微弱的磁场作用下，也可以 发生偏转。当样品具有磁性时，由样品表面出射的光电 子就会在磁场的作用下偏离接收角，最后不能到达分析 器，因此，得不到正确的XPS谱。
样品表面荷电相当于给从表面出射的自由的光电子增加 了一定的额外电场, 使得测得的结合能比正常的要高。
- 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)。
X射线
K1 K2 K’ K3 K4 K5 K6 K
Mg 靶
能量(eV)
相对强度
1253.7
67.0
1253.4
33.0
1258.2
1.0
1262.1
9.2
1263.1
5.1
1271.0
0.8
1274.2
0.5
1302.0
2.0
Al 靶
能量(eV)
相对强度
1486Hale Waihona Puke 767.01486.3
33.0
1492.3
含碳化合物C1s电子结合能位移同原子电荷q的关系
❖ 化学位移的经验规律
➢ 同一周期内主族元素结合能位移随它们的化合价升高线性增加； 而过渡金属元素的化学位移随化合价的变化出现相反规律。
➢ 分子M中某原子A的内层电子结合能位移量同与它相结合的原 子电负性之和ΣX有一定的线性关系。
第八章：X射线光电子谱(XPS)
X-ray Photoelectron Spectroscopy
XPS技术发展历史
➢ 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。
KE = hv - BE
3 元素不同，其特征的电子键能不同。测量电子动能KE ， 就得到对应每种元素的一系列BE-光电子能谱，就得到 电子键能数据。
4 谱峰强度代表含量，谱峰位置的偏移代表价态与环境的 变化-化学位移。
Ag的光电子能谱图（MgK激发）
➢ Core level electrons are ejected by the xray radiation
➢ 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。
➢ The K.E. of the emitted electrons is dependent on:
Incident energy
Instrument work function
Element binding energy
Kinetic Energy
EV
EF
Binding Energy
Characteristic Photoelectron
hvEkEb 功函数
固体能带中充 满电子的最高能级
X-ray Beam
X-ray penetration depth ~1mm. Electrons can be excited in this entire volume.
Electrons are extracted only from a narrow solid angle.
2被激发的电子能量可用下式表示：
KE = hv - BE - spec 式中 hv=入射光子（X射线）能量
BE=电子键能或结合能、电离能
KE=电子动能 （Kinetic Energy）
spec= 谱学功函数或电子反冲能 （Spectrometer Work Function）
谱学功函数极小，可略去， 得到
Valance band
h
Core levels
第三节、X射线光电子谱仪
XPS仪器结构原理图
XPS仪器内部结构图
XPS仪器外观
1.XPS激发源
• X射线源：是用于 产生具有一定能 量的X射线的装置， 在目前的商品仪 器中，一般以 Al/Mg双阳极X射 线源最为常见。
• 软X射线；Mg Kα : hv = 1253.6 eV； Al Kα : hv = 1486.6 eV
3.电子检测器：主要采用单通道连续电子 倍增器和多通道电子倍增器。
4.样品室：用于放置被测样品，需要处在 高真空状态下。
5.真空保障系统，提供超高真空度，保证 激发电子运行。
第四节：化学位移及其影响因素
➢ 分子中由于原子所处的化学环境不同而引起的电子结合能的 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分析中的一项主要内容，是 判定分子中原子价态、所处化学环境、分子结构的重要依据。
10 nm 1 mm2
X-ray excitation area ~1x1 cm2. Electrons are emitted from this entire area
光电效应 （Photoelectric Process）
光：Incident X-ray
Conduction Band Valence Band
2p 2s
发射出的光电子Ejected Photoelectron
Free Electron Level Fermi Level
L2,L3 L1
1s
K
1电磁波使内层电子激发，并逸出表面成为光电子，测量被 激发的电子能量就得到XPS， 不同元素种类、不同元素价态、不同电子层(1s, 2s, 2p等)所产生的XPS不同。
1.0
1496.3
7.8
1498.2
3.3
1506.5
0.42
1510.1
0.28
1557.0
2.0
2.XPS能量分析器
XPS的能量分析器与质谱中单聚焦的质量分析 器结构和原理类似，分为磁偏转型和电偏转型 两种。
被激发出来的电子通过电场或磁场时受到电、 磁场作用发生偏转，只有符合一定能量要求的 电子可以通过出口狭缝而到达检测器。当连续 改变电场或磁场强度，则可以得到所有能量电 子的丰度信息，构成XPS。
第二节、光电子能谱原理
能量关系可表示：
hv EbEkEr
电子结合能 电子动能
原子的反冲能量 Er 21Mma*2
忽略 E r (<0.1eV）得
hvEk Eb
对孤立原子或分子，Eb 就是把电子从所在轨道移到真空需 的能量，是以真空能级为能量零点的。
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，通常选 取费米(Fermi)能级 为Eb的参考点。