02-XPS表面分析方法 材料研究方法

表面分析中常用的各种探针及从表面射出的各种粒子

材料表面分析方法参考书

♦《材料结构分析基础》余琨著, 科学出版社，2000。

♦《材料分析方法》，周玉主编，机械工业出版社，2000。

♦《表面分析技术》，陆家和编著，电子工业出版社，1987。

♦《表面分析》，华中一罗维昂著，复旦大学出版社，1989。

♦《表面分析》，[日]染野檀，安盛岩雄编，科学出版社，1980。

♦《表面分析方法》，A.W.赞德纳著，国防工业出版社，1984。

♦《透射电子显微学》，黄孝瑛编著，上海科学出版社，1987。

♦《扫描电镜原理及应用技术》，廖乾初蓝芬兰著，冶金工业出版社，1990。♦《扫描电子显微镜分析技术》，杜学礼潘子昂编，化学工业出版社，1986。♦《扫描电子显微镜和X射线微区分析》,张清敏编，南开大学出版社，1988

♦《聚合物显微学》，张权主编，化学工业出版社，1993。

♦《光电子能谱在有机化学上的应用》，潘家来编，化学工业出版社，1987。♦《二次离子质谱与离子探针》，季桐鼎等著，科学出版社，1989。

♦《无机材料显微结构分析》，周志朝等编著，浙江大学出版社，1993。

♦《陶瓷材料研究方法》，南京化工学院等著，中国建筑工业出版社，1980。

1.表面分析的内容及实验的基本形式√

2.常用表面分析技术的中英文名称及缩写√

3.样品在电子束的轰击下会产生的各种信号

4.光电子能谱法(XPS)的基本原理

5.XPS的特点

6.样品的要求

7.应用简介

8.XPS图谱的研读

9.实例解析

电子束和离子束与样品相互作用示意图

样品在电子束的轰击下会产生如下的各种信号:

（1）背散射电子：是被固体样品中的原子核反弹回来的一部分入射电子，其中包括弹性背散射电子（能量基本没有损失）和非弹性背散射电子（不仅方向改变且能量也有损失）。背散射电子不仅能用作形貌分析，而且可定性地用作成分分析。

（2）二次电子：在入射电子束作用下

被轰击出来并离开样品表面的样品的核

外电子。二次电子一般是在表层5∼10nm

深度范围内发射出来的，它对样品的表

面形貌十分敏感，可用于表面形貌观察。

（3）吸收电子：入射电子进入样品后，经多次非弹性散射能量损失殆尽，最后被样品吸收的电子。吸收电子可用来进行定性的微区成分分析。

（4）透射电子：如果样品很薄，当直径很小(<10nm）的高能电子束照射薄样品时，就会有一部分入射电子穿过薄样品而成为透射电子。因此透射电子是由微区的厚度、成分和晶体结构来决定。透射电子可用于薄样品成像和微区成分分析。

（5）特征X射线：当样品原子的内层电子被入射电子激发或电离时，原子就会处于能量较高的激发状态，此时外层电子将向内层跃迁以填补内层电子的空缺，从而使具有特征能量的x射线释放出来。根据莫塞莱定律，如果我们用x射线探测器测到了样品微区中存在某一种特征波长，就可以判定这个微区中存在着相应的元素。

二次电子、背散射电子和X射线所携带的信息深度“气球”

(1486.6eV)

(1254.6eV)

X射线光电子能谱仪主要由三部分组成:

(l)激发光源: 用于X射线光电子能谱的激发源是特征X射线。常用MgKα和靶AlKα靶，它们的能量和线宽分别为1253.6eV和1486.6eV与0.68eV和0.83eV，是较为理想的光电子能谱激发源。

(2)光电子能量分析器:这是光电子能谱仪的核心部分，能谱仪的性能指标、结构好坏主要取决于能量分析器，样品在X射线激发下发射出来的电子具有不同的能量，必须把它们按能量大小进行分离。在普通X射线激发源下产生的光电子能量一般在1500eV以下，所以常采用静电式能量分析器，它可以给出线性能量标度，分辨率高(l eV)，而且精度可达至±0.02eV。为了提高分辨率，常在分析器前加一减速透镜，目的是使电子动能在进入分析器前减小到某个数值，得到一个较好的分辨率。

(3)探测和记录仪:探测目的是通过计数的万式测量光电子的数目，因为一般的盖氏计数器要加速电子，这会降低谱仪的分辨率，使谱图的结构复杂化，所以常用电子倍增管作探测器。电子能谱仪的记录有模拟式和数字输出式两种。前者得到计数率相对于电子能量的谱图;后者则有荧光屏显示数字，然后由XY记录仪给出

谱图，其优越性是在操作过程中可以观察谱图信号建立的过程。

XPS仪结构图

XPS方法可以用来进行样品表面元素的定性和定量分析。

还可根据结合能的化学位移，获得有关元素化学价态的信息。

化学位移：是一种由于原子处在不同的化学环境而引起的电子结合能改变，使谱峰位移的效应。

XPS特点：

♦可能给出表面层原子价态与周围元素键合等信息；

♦入射束为X射线光子束，因此可进行绝缘样品分析

♦不损伤被分析样品

♦快速多元素分析

♦可进行有机物基团分析

样品的要求：

♦非挥发性固体及粉末样品

♦样品尺寸：直径φ<38mm

应用简介（表面的成分与结构解析）

♦金属膜、半导体膜、绝缘膜等材料的组分分析

♦表面沾污及器件失效分析等

♦高分子聚合物的表面化学结构判别及表面改性等

♦金属表面氧化与偏析、表面防腐、抗磨及热处理分析♦薄膜及涂层中组分与化学结构分析

要对比标准图谱

根据峰的形状和最可能存在的结构基团的峰位进行曲线拟合，使各峰的面积之和与总面积相等

查标准图谱或相关文献

Q[4]纯桥氧基团

Q[3]含一个非

桥氧基团

根据两种基团对

应峰的面积之比

可估算结构中非

桥氧的比例

⇒估算各基团之

间的相互比例峰位不变