现代测试技术-- XPS解读

费米（Fermi）能级：0K固体能带中充满电子的最高能级； 逸出功Ws：固体样品中电子由费米能级跃迁到自由电 子能级所需要的能量。 电子弛豫 :内层电子被电离后,造成原来体系的平衡势 场的破坏，使形成的离子处于激发态，其 余轨道电子结构将重新调整。这种电子结 构的重新调整，称为电子弛豫。
Sichuan University
逃逸消耗Ws ，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
Sichuan University
结合能( EB)：电子克服原子核束缚和周围电子的作
11.1.2 XPS的基本原理涉及的名词
用，到达费米能级所需要的能量。
X-ray excitation area ~1x1 cm2. Electrons are emitted from this entire area.
Sichuan University
294
292
290
288
286
284
282
280
278
276
294
292
290
288
286
284
282
280
278
276
274
B.E. (eV)
B. E. (eV)
Table 9. Detail data of C1s analysis in the residue of 1%Fe-OMMT/LDPE and 1%Na-OMMT/LDPE
Binding energy (eV) Area (%) C1s 1% Fe-OMMT/LDPE C1s 1% Na-OMMT/LDPE
11.1 .3 XPS应用涉及的基本概念
光电离几率和XPS的信息深度
（1）光电离几率
定义 光电离几率(光电离截面)：一定能量的光子在与原 子作用时，从某个能级激发出一个电子的几率； 影响因素
与电子壳层平均半径，入射光子能量，原子序数
有关；
Sichuan University
在入射光子能量一定的前提下，同一原 子中半径越小的壳层，越大； 电子的结合能与入射光子的能量越接近， 越大; 越大说明该能级上的电子越容易被光 激发，与同原子其它壳层上的电子相比， 它的光电子峰的强度越大。
11.1 XPS的基本原理
XPS是由瑞典Uppsala大学的K. Siegbahn及其同事历经近20年 的潜心研究于60年代中期研制开发出的一种新型表面分析仪器和 方法。鉴于K. Siegbahn教授对发展XPS领域做出的重大贡献， 他被授予1981年诺贝尔物理学奖。 XPS现象基于爱因斯坦于1905年揭示的光电效应，爱因斯坦由于
Sichuan University
X射线光电子能谱分析(XPS) X-ray Photoelectron Spectroscopy
1
Sichuan University
表面分析技术 (Surface Analysis)是对材料外层(the OuterMost Layers of Materials (<100nm))的研究的技术
Sichuan University
（2）XPS信息深度 样品的探测深度通常用电子的逃逸深度度量。 电子逃逸深度（Ek）：逸出电子非弹性散 射的平均自由程；
这方面的工作被授予1921年诺贝尔物理学奖；
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。
Sichuan University

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
hv A A* e A 中性原子 hv－－入射光子能量 e 发射出的光电子 A* 处于激发态的离子
Sichuan University
11.1 XPS的基本原理
X射线激发光电子的原理
Sichuan University
电子能谱法：光致电离； A + h A+* + e
层电子，通过对这些电子进行能量分析
而获得的一种能谱。

能谱最初是被用来进行化学分析，因此
它还有一个名称，即化学分析电子能谱 （ ESCA，全称为Electron Spectroscopy for Chemical Analysis）
Sichuan University
X射线物理
X射线起源于轫致辐射，可被认为是光电效应的逆过程，既： 电子损失动能 产生光子(X射线)
原子核 快电子
慢电子 EK2
EK1
光子
EK 1 EK 2 h
h
因为原子的质量至少是电子质量的 2000 倍，我们可以把反冲原 子的能量忽略不计。
Sichuan University
11.1 XPS的基本原理
11.1.1 光电效应 1. 光电效应 具有足够能量的入射光子(hν) 同样品相互作用时， 光子把它的全部能量转移给原子、分子或固体的某一 束缚电子，使之电离 。
Bonds
284.9
291.8 283.7
42.8
57.2 39.0
C-C C-H
C=C C-C C-H
28Байду номын сангаас.5
287.4
26.0
34.9
C-O
C=O
3
Sichuan University
主要内容
XPS的基本原理 光电子能谱仪实验技术 X射线光电子能谱的应用
Sichuan University
紫外(真空)光电子能谱 X射线光电子能谱 Auger电子能谱
h
h
h
单色X射线也可激发多种核内电子或不同能级上的电子，
产生由一系列峰组成的电子能谱图，每个峰对应于一个原子 能级（s、p、d、f）；
Sichuan University
Sichuan University
11.1.1 原理方程
光子的一部分能量用来克服轨道电子结合能( EB)，
X-ray Beam Electrons are extracted only from a narrow solid angle.
X-ray penetration depth ~1mm. Electrons can be excited in this entire volume.
10 nm
1 mm2