XPS原理及使用分析
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用能量分析器分析光电子的动能,得到的就是X射线光电子 能谱。
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2.能量关系
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能量关系：
Hν = Eb+Φs+Ek’+Er
Eb-电子结合能（以费米能级为零点） Φs-样品材料的功函数 Ek’-电子刚逸出表面时具有的动能 Er –出射电子的反冲能 由于样品与能谱仪接触，产生接触电势差，而在样品表面与能谱仪之间
• XPS分析使用的光源阳极是Mg或Al，其能量分别是1487 和1254eV。
• UPS的光源为氦放电灯，能量为21.2或40.8eV，其能量 只能够激发出价带电子，因此主要用于价带分析。
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3.深度剖面分析 用离子束溅射剥蚀表面,用X射线光电子谱进行分析, 两者交替进行, 可以得到元素及其化学状态的深度 分布。
产生电场，使光电子射出后在此电场中加速或减速，动能发生改变， 测量到的动能与原始能量不一致。 平衡时，有关系 Ek = Ek’ -(Φsp- Φs) 因此可得（忽略反冲能）
• Hν = Eb+Φsp+ Ek
或
• Ek = hν – Eb – Φsp
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紫外光电子能谱分析 UPS—Ultra-violet photoelectron Spectroscopy
子对谱的影响 ΔEsp—谱仪的固有分辨率
提高分辨率主要办法是减小X射线宽度，即提高单色性。 实用文档
2dsinθ=nλ
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• 2.电子能量分析器 • 3.超高真空系统 • 4.控制电路 • 5.样品台
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6.样品准备
• 样品尺寸不宜过大，一般应不大于10x10x1mm； • 样品表面应大体上平整； • 样品最好能够导电； • 表面应作脱脂处理，绝对避免用手触摸； • 原始表面应尽可能尽快测试，避免长时间在空气中存
X射线光电子能谱分析 XPS
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XPS—X-rays Photoelectron Spectroscopy
ESCA—Electron Spectroscopy for Chemical Analysis
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一、概述
1.X射线光电子能谱仪发展历史 爱因斯坦：光电效应 • 50年代，K.Siegbahn研制成功XPS谱仪 • 60年代，发展成为商用仪器 • 主要：PHI公司，VG公司，Karatos 公司 • 发展方向：单色化，小面积，成像XPS
O 1s
C 1s
谱图解析 标志介绍 元素鉴别
C o u n ts [a .u .]
Al 2s Al 2p
Ti 2p N 1s
600 500 400 300 200 100
0
Binding Energy [eV]
是高纯Al基片上沉积的Ti(CN)x薄膜的XPS谱图，激发源为Mg K
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消除电荷效应
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一、概述
2.仪器功能与特点： （1）定性分析--根据测得的光电子动能可以确定表面存在哪
些元素。灵敏度约0.1at%。 （2）定量分析--根据具有某种能量的光电子的强度可知某种
元素在表面的含量。误差约20%。 （3）根据某元素光电子动能的位移可了解该元素所处的化学
状态，有很强的化学状态分析功能。 （4）由于只有距离表面几个纳米范围的光电子可逸出表面，
因此信息反映材料表面几个纳米厚度层的状态。 （5）结合离子溅射可以进行深度分析。 （6）对材料无破坏性。 （7）由于X射线不易聚焦, 照射面积大,不适于微区分析。
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二、XPS的测量原理
1.XPS的产生
当单色的X射线照射样品,具有一定能量的入射光子同样品 原子相互作用： （1）光致电离产生光电子； （2）电子从产生之处迁移到表面； （3）电子克服逸出功而发射。
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4.光电子能量损失机制
光电子在射出表面的同时，可能激发固体中某些过程从而 自身能量发生损失： （1）声子激发或点阵振动
能量为几十meV，只能在高分辨谱中观察到。 （2）等离子激发 （3）各种单、双粒子激发
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三、仪器结构
XPS能谱仪的构成
进样室
主要： 超高真空系统； X射线源； 能量分析系统 电子控制系统 数据采集和处理系统
放； • 粉末样品可以压成块状，或撒布在胶带上；也可以将
粉末溶解在适当溶剂中做成溶液，屠宰样品台上，再 使溶剂挥发即成样品； • 气体、液体样品多用冷却法令其凝固。
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四、谱图分析 • 定性分析 • 定量分析 • 深度分析 • 化学状态分析
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1.XPS定性分析
Ti(CN) x/ Al film
• 光电子被激发出以后，非导电样品上会逐渐积累正电 荷，导致测量的光电子动能减小，表观结合能正移， 从而影响分析结果。
• 办法： （1）电子枪发射电子中和； （2）样品表面镀金，厚度〈1nm； （3）在导电样品托上制备超薄样品； （4）外标法：样品上C1s的结合能为284.8eV。
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能量定标
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X射线的产生：阴极发射电子，直流高压电场对 电子加速，高速碰撞阳极， 产生特征X射线
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• 要求X射线的自然线宽小，分辨率才高 • 测得光电子能谱的半宽度为
1
E[Ex 2Ee2Es2Es2 p]2
其中，ΔEx—X射线半宽度 ΔEe—光电子自然能量分布，与样品材料有关（不确定关 系） ΔEs—固态宽化效应，激发光电子时产生晶格振动，即声
（1）利用已知特征谱：C 1s-284.3 eV （2）利用两条谱线，如：
Cu 2p3/2-932.8 eV，Cu 3s-122.9 eV Au 4f7/wenku.baidu.com-83.8 eV， Cu 2p3/2-932.8 eV （3）已知能量的两种光子激发同一样品的某一能级，则 两次测量的能量差即为光子能量差。Mg与Al阳极的能 量差是233.01 eV。
X 光枪
分析室
离子枪
真空系统
能量分析器 计算机系统
X射线光电子能谱仪结构框图
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1.X射线源
X射线的产生 X射线源的结构 X射线的单色化 X射线的聚焦和扫描
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Mg/Al双阳极X射线源
• 能量范围适中（Mg：1253.7，Al：1486.7eV） • X射线的能量范围窄（0.7和0.85 eV） • 能激发几乎所有的元素产生光电子； • 靶材稳定，容易保存以及具有较高的寿命
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2.能量关系
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能量关系：
Hν = Eb+Φs+Ek’+Er
Eb-电子结合能（以费米能级为零点） Φs-样品材料的功函数 Ek’-电子刚逸出表面时具有的动能 Er –出射电子的反冲能 由于样品与能谱仪接触，产生接触电势差，而在样品表面与能谱仪之间
• XPS分析使用的光源阳极是Mg或Al，其能量分别是1487 和1254eV。
• UPS的光源为氦放电灯，能量为21.2或40.8eV，其能量 只能够激发出价带电子，因此主要用于价带分析。
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3.深度剖面分析 用离子束溅射剥蚀表面,用X射线光电子谱进行分析, 两者交替进行, 可以得到元素及其化学状态的深度 分布。
产生电场，使光电子射出后在此电场中加速或减速，动能发生改变， 测量到的动能与原始能量不一致。 平衡时，有关系 Ek = Ek’ -(Φsp- Φs) 因此可得（忽略反冲能）
• Hν = Eb+Φsp+ Ek
或
• Ek = hν – Eb – Φsp
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紫外光电子能谱分析 UPS—Ultra-violet photoelectron Spectroscopy
子对谱的影响 ΔEsp—谱仪的固有分辨率
提高分辨率主要办法是减小X射线宽度，即提高单色性。 实用文档
2dsinθ=nλ
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• 2.电子能量分析器 • 3.超高真空系统 • 4.控制电路 • 5.样品台
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6.样品准备
• 样品尺寸不宜过大，一般应不大于10x10x1mm； • 样品表面应大体上平整； • 样品最好能够导电； • 表面应作脱脂处理，绝对避免用手触摸； • 原始表面应尽可能尽快测试，避免长时间在空气中存
X射线光电子能谱分析 XPS
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XPS—X-rays Photoelectron Spectroscopy
ESCA—Electron Spectroscopy for Chemical Analysis
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一、概述
1.X射线光电子能谱仪发展历史 爱因斯坦：光电效应 • 50年代，K.Siegbahn研制成功XPS谱仪 • 60年代，发展成为商用仪器 • 主要：PHI公司，VG公司，Karatos 公司 • 发展方向：单色化，小面积，成像XPS
O 1s
C 1s
谱图解析 标志介绍 元素鉴别
C o u n ts [a .u .]
Al 2s Al 2p
Ti 2p N 1s
600 500 400 300 200 100
0
Binding Energy [eV]
是高纯Al基片上沉积的Ti(CN)x薄膜的XPS谱图，激发源为Mg K
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消除电荷效应
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一、概述
2.仪器功能与特点： （1）定性分析--根据测得的光电子动能可以确定表面存在哪
些元素。灵敏度约0.1at%。 （2）定量分析--根据具有某种能量的光电子的强度可知某种
元素在表面的含量。误差约20%。 （3）根据某元素光电子动能的位移可了解该元素所处的化学
状态，有很强的化学状态分析功能。 （4）由于只有距离表面几个纳米范围的光电子可逸出表面，
因此信息反映材料表面几个纳米厚度层的状态。 （5）结合离子溅射可以进行深度分析。 （6）对材料无破坏性。 （7）由于X射线不易聚焦, 照射面积大,不适于微区分析。
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二、XPS的测量原理
1.XPS的产生
当单色的X射线照射样品,具有一定能量的入射光子同样品 原子相互作用： （1）光致电离产生光电子； （2）电子从产生之处迁移到表面； （3）电子克服逸出功而发射。
实用文档
4.光电子能量损失机制
光电子在射出表面的同时，可能激发固体中某些过程从而 自身能量发生损失： （1）声子激发或点阵振动
能量为几十meV，只能在高分辨谱中观察到。 （2）等离子激发 （3）各种单、双粒子激发
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三、仪器结构
XPS能谱仪的构成
进样室
主要： 超高真空系统； X射线源； 能量分析系统 电子控制系统 数据采集和处理系统
放； • 粉末样品可以压成块状，或撒布在胶带上；也可以将
粉末溶解在适当溶剂中做成溶液，屠宰样品台上，再 使溶剂挥发即成样品； • 气体、液体样品多用冷却法令其凝固。
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四、谱图分析 • 定性分析 • 定量分析 • 深度分析 • 化学状态分析
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1.XPS定性分析
Ti(CN) x/ Al film
• 光电子被激发出以后，非导电样品上会逐渐积累正电 荷，导致测量的光电子动能减小，表观结合能正移， 从而影响分析结果。
• 办法： （1）电子枪发射电子中和； （2）样品表面镀金，厚度〈1nm； （3）在导电样品托上制备超薄样品； （4）外标法：样品上C1s的结合能为284.8eV。
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能量定标
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X射线的产生：阴极发射电子，直流高压电场对 电子加速，高速碰撞阳极， 产生特征X射线
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• 要求X射线的自然线宽小，分辨率才高 • 测得光电子能谱的半宽度为
1
E[Ex 2Ee2Es2Es2 p]2
其中，ΔEx—X射线半宽度 ΔEe—光电子自然能量分布，与样品材料有关（不确定关 系） ΔEs—固态宽化效应，激发光电子时产生晶格振动，即声
（1）利用已知特征谱：C 1s-284.3 eV （2）利用两条谱线，如：
Cu 2p3/2-932.8 eV，Cu 3s-122.9 eV Au 4f7/wenku.baidu.com-83.8 eV， Cu 2p3/2-932.8 eV （3）已知能量的两种光子激发同一样品的某一能级，则 两次测量的能量差即为光子能量差。Mg与Al阳极的能 量差是233.01 eV。
X 光枪
分析室
离子枪
真空系统
能量分析器 计算机系统
X射线光电子能谱仪结构框图
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1.X射线源
X射线的产生 X射线源的结构 X射线的单色化 X射线的聚焦和扫描
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Mg/Al双阳极X射线源
• 能量范围适中（Mg：1253.7，Al：1486.7eV） • X射线的能量范围窄（0.7和0.85 eV） • 能激发几乎所有的元素产生光电子； • 靶材稳定，容易保存以及具有较高的寿命