第八章X射线光电子能谱
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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.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
第八章：X射线光电子谱(XPS)
X-ray Photoelectron Spectroscopy
第一节、光电子能谱简介
1.电子能谱分析法是采用单色光源（如X射线、紫外光）或电 子束去照射样品，使样品中电子受到激发而发射出来，然 后测量这些电子的产额（强度）对其能量的分布，从中获 得有关信息的一类分析方法。电子能谱是固体表面分析的 主要方法之一。
➢ 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
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
hv Ek Eb 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.
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。
➢ 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。
1.0
1496.3
7.8
1498.2
3.3
1506.5
0.42
1510.1
0.28
第二节、光电子能谱原理
能量关系可表示：
hv Eb Ek Er
电子结合能 电子动能
原子的反冲能量
Er
1M
2
ma*2
忽略 Er (<0.1eV）得
hv Ek 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。
5.紫外光电子能谱(UPS)是以紫外光为激发源致样品光电离 而获得的光电子能谱。目前采用的光源为光子能量小于 100eV的真空紫外光源(常用He、Ne等气体放电中的共振 线)。这个能量范围的光子只能激发样品中原子、分子的 外层价电子或固体的价带电子，从而获得相关的价电子和 能带结构的特征关系。
XPS技术发展历史
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
2.常用的光电子能谱法根据使用的激发光源不同分为以下三 种：
X射线光电子能谱(X-Ray Photoelectron Spectrometer XPS)
紫外光电子能谱(Ultraviolet Photoelectron Spectrometer， UPS)
俄歇电子能谱(Auger Electron Spectrometer， AES)
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Hale Waihona Puke Baidu
1486.7
67.0
1486.3
33.0
1492.3
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.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
第八章：X射线光电子谱(XPS)
X-ray Photoelectron Spectroscopy
第一节、光电子能谱简介
1.电子能谱分析法是采用单色光源（如X射线、紫外光）或电 子束去照射样品，使样品中电子受到激发而发射出来，然 后测量这些电子的产额（强度）对其能量的分布，从中获 得有关信息的一类分析方法。电子能谱是固体表面分析的 主要方法之一。
➢ 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
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
hv Ek Eb 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.
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。
➢ 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。
1.0
1496.3
7.8
1498.2
3.3
1506.5
0.42
1510.1
0.28
第二节、光电子能谱原理
能量关系可表示：
hv Eb Ek Er
电子结合能 电子动能
原子的反冲能量
Er
1M
2
ma*2
忽略 Er (<0.1eV）得
hv Ek 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。
5.紫外光电子能谱(UPS)是以紫外光为激发源致样品光电离 而获得的光电子能谱。目前采用的光源为光子能量小于 100eV的真空紫外光源(常用He、Ne等气体放电中的共振 线)。这个能量范围的光子只能激发样品中原子、分子的 外层价电子或固体的价带电子，从而获得相关的价电子和 能带结构的特征关系。
XPS技术发展历史
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
2.常用的光电子能谱法根据使用的激发光源不同分为以下三 种：
X射线光电子能谱(X-Ray Photoelectron Spectrometer XPS)
紫外光电子能谱(Ultraviolet Photoelectron Spectrometer， UPS)
俄歇电子能谱(Auger Electron Spectrometer， AES)
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Hale Waihona Puke Baidu
1486.7
67.0
1486.3
33.0
1492.3