薄膜制备与表面分析(2)PPT课件
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薄膜制备与分析.pptx
➢ Quickly becomes saturated ➢ Must be baked at >200 °C
to remove adsorbed gases ➢ Simple, inexpensive, oil-
free
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概论 真空技术原理
❖真空的获得
➢ Momentum transfer to gas molecules through collision with directed jet of oil molecules
➢ Rotor tangential velocity is on the order of the average thermal velocity of molecules.
➢ Atmosphere to 10-10 Torr ➢ Oil/grease/electromagnetic bearings ➢ Most common HV/UHV pump.
第2页/共38页
概论 表面分析技术
❖ 表面分析技术是人们为了获取表面的物理、化学等方面的信息而采用的一些 实验方法和手段。
Excitation source
Event Sample
Signal Detector
Energy Selector 一般地说，它是利用一种探测束——如电子束、 离子束、光子束、中性粒子束等，有时还加上电场、磁场、 热等的作用，来探测材料的形貌、化学组成、原子结构、原子状态、电子状态等方面的信息。
➢ The eccentrically mounted rotor compresses the gas and sweeps it toward the discharge port.
➢ When gas pressure exceeds atmospheric pressure, the exhaust valve opens and gas is expelled.
to remove adsorbed gases ➢ Simple, inexpensive, oil-
free
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概论 真空技术原理
❖真空的获得
➢ Momentum transfer to gas molecules through collision with directed jet of oil molecules
➢ Rotor tangential velocity is on the order of the average thermal velocity of molecules.
➢ Atmosphere to 10-10 Torr ➢ Oil/grease/electromagnetic bearings ➢ Most common HV/UHV pump.
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概论 表面分析技术
❖ 表面分析技术是人们为了获取表面的物理、化学等方面的信息而采用的一些 实验方法和手段。
Excitation source
Event Sample
Signal Detector
Energy Selector 一般地说，它是利用一种探测束——如电子束、 离子束、光子束、中性粒子束等，有时还加上电场、磁场、 热等的作用，来探测材料的形貌、化学组成、原子结构、原子状态、电子状态等方面的信息。
➢ The eccentrically mounted rotor compresses the gas and sweeps it toward the discharge port.
➢ When gas pressure exceeds atmospheric pressure, the exhaust valve opens and gas is expelled.
《薄膜的制备2蒸镀》PPT课件
Me
coscos r2
Me—蒸发出来的物质总量
dAs---衬底面积元
dMs—dAs上接受的沉积物 的质量
θ---衬底表面与空间角法线 的偏离角
Φ—dAs与蒸发源平面法线 间的夹角
r—蒸发源于衬底间的距离
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20
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21
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22
3）蒸发源---蒸发材料的加热装置
蒸镀的装置—真空室+加热装置（蒸发源）+衬底 蒸发源—电阻加热；电子束加热；高频感应加热
i、电阻加热
把片状或线状高熔点金属
（钨、钼、钛、钽）做成适当形状的蒸发源,装上蒸镀
材料，通电流加热蒸镀材料，使其蒸发。
优点：结构简单。
缺点：薄膜材料与蒸发源直接接触，由此引起蒸 发源材料成为杂质混入薄膜材料；薄膜材料与蒸 发源材料发生反应；薄膜材料的蒸镀受到蒸发源 材料熔点的限制。
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23
nv p 4 4kT
8 km T
p
2mkT
薄膜的沉积速度应该正比于单位面积上气体分子 的通量。所以，薄膜的沉积速度应与气体的压强成正比，
与气体的温度、分子的质量的平方根成反比。--（Knudsen克努森方程，是真空和薄膜沉积技术中最常 用的方程之一）
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17
2）蒸气的方向性
物质在蒸发的过程中，蒸发原子的运动具有明显 的方向性。它对于薄膜的均匀性有显著的影响。
蒸发： 蒸发时化合物可能分解； 在气相状态下，可能发生化合物各组元间的 化合与分解过程； 沉积后的薄膜成分可能偏离原化合物的化学 组成；
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36
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反应蒸镀法： （主要用于制备高熔点化合物薄膜） 以蒸镀SiO2为例
第二章薄膜的制备ppt课件
在信息显示技术中的应用
在信息存贮技术中的应用
• 第二是在集成电路等电子工业中的应用， 其中，从外延薄膜的生长这一结晶学角 度看也具有显著的成果。
在计算机技术中的应用
在计算机技术中的应用
• 第三是对材料科学的贡献。薄漠制 备是在非平衡状态下进行，和通常的热 力学平衡条件制备材料相比具有：所得 材料的非平衡特征非常明显;可以制取普 通相图中不存在的物质;在低温下可以制 取热力学平衡状态下必须高温才能生成 的物质等优点。
薄膜的主要特性
• 材料薄膜化后，呈现出的一部分主要特性：
•
几何形状效应
• 块状合成材料一般使用粉末的最小尺寸为 纳米至微米，而薄膜是由尺寸为1埃左右的原子
或分子逐渐生长形成的。采用薄膜工艺可以研
制出块材工艺不能获得的物质(如超晶格材料)，
在开发新材料方面，薄膜工艺已成为重要的手
段之一。
非热力学平衡过程
无机薄膜制备工艺
• 单晶薄膜、多晶薄膜和非晶态薄膜在现代微 电子工艺、半导体光电技术、太阳能电池、光纤 通讯、超导技术和保护涂层等方面发挥越来越大 的作用。特别是在电子工业领域里占有极其重要 的地位，例如半导体集成电路、电阻器、电容器、 激光器、磁带、磁头都应用薄膜。
• 薄膜制备工艺包括：薄膜制备方法的选择； 基体材料的选择及表面处理；薄膜制备条件的选 择；结构、性能与工艺参数的关系等。
(2)双蒸发源蒸镀——三温度法
三温度-分子束外延法主要是用 于制备单晶半导体化合物薄膜。从 原理上讲，就是双蒸发源蒸镀法。 但也有区别，在制备薄膜时，必须 同时控制基片和两个蒸发源的温度， 所以也称三温度法。
三温度法 是制备化合物 半导体的一种 基本方法，它 实际上是在V族 元素气氛中蒸 镀Ⅲ族元素， 从这个意义上 讲非常类似于 反应蒸镀。图 示就是典型的 三温度法制备 GaAs单晶薄膜 原理。
薄膜制备方法概述.ppt
RF
MW
LECVD
……
ECR
❖ 物理气相沉积(PVD)
➢ 物理气相沉积:薄膜材料通过物理方法输运到基 体表面的镀膜方法；
➢ 通常是固体或熔融源；
➢ 在气相或衬底表面没有化学反应；
➢ 代表性技术：蒸发镀膜、溅射镀膜；
➢ 技术特点：真空度高、沉积温度低、设备相对 比较简单。薄膜质量差，可控度小、表面容易 不均匀。
第二节 薄膜制备技术
真空 蒸发
物理气相沉积 （PVD）
溅射
沉积
气
相
分子束外延
沉 积
（MBE）
离子镀
化学气相沉积 （CVD）Байду номын сангаас
电 镀 法 溶胶-凝胶法
热壁 冷壁
电阻加热 感应加热 电子束加热 激光加热
直流溅射 射频溅射 磁控溅射 离子束溅射
直流二极型离子镀
射频放电离子镀
等离子体离子镀
HFCVD
DC
PECVD
❖ 化学气相沉积(CVD) ➢ 化学气相沉积: 沉积过程中发生化学反应，薄膜
与原料的化合状态不一样。 ➢ 代表性技术：低压CVD(LPCVD), 常压CVD
APCVD, 等离子体增强CVD (PECVD);金属有机 源CVD(MOCVD) ➢ 技术特点：薄膜质量高，致密，可控性好，
❖ 其它成膜技术：液相外延(LPE)，电沉积，溶胶 凝胶(sol-gel)，自组装，spin-coating，化学浴沉 积(CBD)等。
❖ 新的薄膜制备技术： ➢ 以蒸发沉积为基础发展出了电子束蒸发沉积、分子束
外延薄膜生长(MBE) ； ➢ 以载能束与固体相互作用为基础, 先后出现了离子束
溅射沉积、脉冲激光溅射沉积(PLD)、强流离子束蒸 发沉积、离子束辅助沉积(IBAD)、低能离子束沉积； ➢ 以等离子体技术为基础出现了等离子体增强化学气相 沉积(PECVD)、磁控溅射镀膜；
最全的各种薄膜制备PPT课件
第34页/共46页
3．离子镀的应用
第35页/共46页
第36页/共46页
12.5 化学气相沉积（ CVD）
• 化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition, CVD)是通过气 相物质的化学反应在基材表面上沉积固态薄膜的一种工艺方法。
• CVD的基本步骤与PVD不同的是：沉积粒子来源于化合物的气 相分解反应。
• 种类：
（1）以材料种类划分：金属、合金、陶瓷、半 导体、化合物、高分子薄膜等。 （2）以晶体结构划分：单晶、多晶、纳米晶、 非晶 （3）以厚度划分：纳米薄膜，微米薄膜和厚膜。 （4）以薄膜组成结构划分：多层薄膜，梯度薄 膜，复合薄膜。
• 应用：
光学薄膜、微电子薄膜、光电子学薄膜、集 成电路薄膜、防护功能薄膜。
第40页/共46页
电子束辅助化学气相沉积(EACVD) 和激光束化学气相沉积(LACVD)
• 采用电子束或激光束对基片进行轰击和照射， 也可以使基片获得能量，从而促进和改善反应 的进行。
• 尤其是经过聚焦的电子束和激光束可以实现 基片表面的局部生成薄膜，这对于微电子和微 加工领域有着重要作用。
第41页/共46页
3SiH4 +4NH3 7500CSiN4 +12H2 W(s)+3I2 (g) ~ 134000 0 000CC WI6 (g)
SiH4 ~3500Ca-Si(H)+2H2 W(CO)6 激光 束W+6CO
第38页/共46页
• CVD的化学反应温度一般在800-1200℃，较高 的反应温度限制了基片材料的选择，并给薄膜 和薄膜基片复合体结构和性能带来不利的影响， 如基体材料的相变及由高温冷却到室温时产生 的热应力等。
3．离子镀的应用
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12.5 化学气相沉积（ CVD）
• 化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition, CVD)是通过气 相物质的化学反应在基材表面上沉积固态薄膜的一种工艺方法。
• CVD的基本步骤与PVD不同的是：沉积粒子来源于化合物的气 相分解反应。
• 种类：
（1）以材料种类划分：金属、合金、陶瓷、半 导体、化合物、高分子薄膜等。 （2）以晶体结构划分：单晶、多晶、纳米晶、 非晶 （3）以厚度划分：纳米薄膜，微米薄膜和厚膜。 （4）以薄膜组成结构划分：多层薄膜，梯度薄 膜，复合薄膜。
• 应用：
光学薄膜、微电子薄膜、光电子学薄膜、集 成电路薄膜、防护功能薄膜。
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电子束辅助化学气相沉积(EACVD) 和激光束化学气相沉积(LACVD)
• 采用电子束或激光束对基片进行轰击和照射， 也可以使基片获得能量，从而促进和改善反应 的进行。
• 尤其是经过聚焦的电子束和激光束可以实现 基片表面的局部生成薄膜，这对于微电子和微 加工领域有着重要作用。
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3SiH4 +4NH3 7500CSiN4 +12H2 W(s)+3I2 (g) ~ 134000 0 000CC WI6 (g)
SiH4 ~3500Ca-Si(H)+2H2 W(CO)6 激光 束W+6CO
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• CVD的化学反应温度一般在800-1200℃，较高 的反应温度限制了基片材料的选择，并给薄膜 和薄膜基片复合体结构和性能带来不利的影响， 如基体材料的相变及由高温冷却到室温时产生 的热应力等。
薄膜制备技术基础.pptx
表征气体沿管道流动的动力或阻力 Q=C(P2-P1), P1、P2为管道两端的压强
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稳定流动状态下流量守恒 串连：
并连：
串连时总流导小于任何连接的流导
第28页/共65页
(4)泵抽速S
泵入口处单位时间抽入的气体体积
S
d(V) dt
PP1
(5)泵抽除量R
表征泵的抽气能力
R=P1S
(6)泵的有效抽速（实际抽速）
3. 真空管路—连接真空系统
4. 阀门—控制真空系统的连接情况
5. 真空的测量
第26页/共65页
3.表征真空系统的几个参数
(1)体积流速S（体积流率）
单位时间流过管道某一特定截面的体积 S dV dt
(2)流量Q（体积流率）
单位时间流过管道某一特定截面的的气体 分子的量 Q d(PV)
dt
(3)流导C、流阻Z
d
(PV dt
)
VdP dt
S
p
P(1
P P0
)
分离变量，积分得：
P(t)
P0
(Pi
P0
)
exp(
S pt V
)
其中： Pi为真空室初始真空度（t=0） P0为真空室极限真空度（t→∞） Pt为真空室某一时刻真空度
第33页/共65页
第四节.抽真空和抽真空设备 一、 抽真空 是利用各种真空泵将被抽容器中的气体抽出，使该空间的压强低于一个大气压的过程。 可有多种方法实现抽真空 真空泵：抽真空的装置
对于技术和物理研究的影响：表面物理，薄膜沉积
第14页/共65页
7、克努曾定律或余弦定律：
碰撞于固体表面的分子，飞离表面的方向与原 入射方向无关，处于与表面法线成θ角的空间区 域（立体角为的dω）的分子的几率为：
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稳定流动状态下流量守恒 串连：
并连：
串连时总流导小于任何连接的流导
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(4)泵抽速S
泵入口处单位时间抽入的气体体积
S
d(V) dt
PP1
(5)泵抽除量R
表征泵的抽气能力
R=P1S
(6)泵的有效抽速（实际抽速）
3. 真空管路—连接真空系统
4. 阀门—控制真空系统的连接情况
5. 真空的测量
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3.表征真空系统的几个参数
(1)体积流速S（体积流率）
单位时间流过管道某一特定截面的体积 S dV dt
(2)流量Q（体积流率）
单位时间流过管道某一特定截面的的气体 分子的量 Q d(PV)
dt
(3)流导C、流阻Z
d
(PV dt
)
VdP dt
S
p
P(1
P P0
)
分离变量，积分得：
P(t)
P0
(Pi
P0
)
exp(
S pt V
)
其中： Pi为真空室初始真空度（t=0） P0为真空室极限真空度（t→∞） Pt为真空室某一时刻真空度
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第四节.抽真空和抽真空设备 一、 抽真空 是利用各种真空泵将被抽容器中的气体抽出，使该空间的压强低于一个大气压的过程。 可有多种方法实现抽真空 真空泵：抽真空的装置
对于技术和物理研究的影响：表面物理，薄膜沉积
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7、克努曾定律或余弦定律：
碰撞于固体表面的分子，飞离表面的方向与原 入射方向无关，处于与表面法线成θ角的空间区 域（立体角为的dω）的分子的几率为：
第三章薄膜制备技术ppt课件
化学气相沉积，包括低压化学气相沉积（low pressure CVD,LPCVD）、离子增强型气相沉积（plasma enhanced (assisted) CVD,PECVD,PACVD）、常压化学气相沉积（atmosphere pressure CVD,APCVD）、金属有机物气相沉积（MOCVD）和微波电子回旋共振化学气相沉积(Microwave Electron cyclotron resonance chemical vapor deposition, MW-ECR-CVD）等。
分子束外延是在超高真空条件下精确控制源材料的中性分子束强度，并使其在加热的基片上进行外延生长的一种技术。从本质上讲，分子束外延也属于真空蒸发方法，但 与传统真空蒸发不同的是，分子束外延系统具有超高真空，并配有原位监测和分析系统，能够获得高质量的单晶薄膜。
2、溅射法 荷能粒子轰击固体材料靶，使固体原子从表面射出，这些原子具有一定的动能和方向性。在原子射出的方向上放上基片，就可在基片上形成一层薄膜，这种制备薄膜的方法叫做溅射法。 溅射法属于物理气相沉积(PVD)，射出的粒子大多处于原子状态，轰击靶材料的荷能粒子一般是电子、离子和中性粒子。
3.1.2 化学气相沉积 (chemical vapor deposition )
化学气相沉积:一定化学配比的反应气体，在特定激活条件下(一般是利用加热、等离子体和紫外线等各种能源激活气态物质)，通过气相化学反应生成新的膜层材料沉积到基片上制取膜层的一种方法。 Chemical vapor deposition (CVD) is a chemical process often used in the semiconductor industry for the deposition of thin films of various materials.
分子束外延是在超高真空条件下精确控制源材料的中性分子束强度，并使其在加热的基片上进行外延生长的一种技术。从本质上讲，分子束外延也属于真空蒸发方法，但 与传统真空蒸发不同的是，分子束外延系统具有超高真空，并配有原位监测和分析系统，能够获得高质量的单晶薄膜。
2、溅射法 荷能粒子轰击固体材料靶，使固体原子从表面射出，这些原子具有一定的动能和方向性。在原子射出的方向上放上基片，就可在基片上形成一层薄膜，这种制备薄膜的方法叫做溅射法。 溅射法属于物理气相沉积(PVD)，射出的粒子大多处于原子状态，轰击靶材料的荷能粒子一般是电子、离子和中性粒子。
3.1.2 化学气相沉积 (chemical vapor deposition )
化学气相沉积:一定化学配比的反应气体，在特定激活条件下(一般是利用加热、等离子体和紫外线等各种能源激活气态物质)，通过气相化学反应生成新的膜层材料沉积到基片上制取膜层的一种方法。 Chemical vapor deposition (CVD) is a chemical process often used in the semiconductor industry for the deposition of thin films of various materials.
《薄膜材料的制备》课件
制备方法
1
物理气相沉积法
采用真空状态下物质在表面反应沉积成
化学气相沉积法
2
薄膜的方法，包括等离子体增强化学气 相沉积法和分子束外延法等。
在气体氛围中，通过气相反应生成沉积
薄膜，包括金属有机化学气相沉积法和
低压化学气相沉积法等。
3
溶液法
通过化学反应或物理方法，使溶解在溶
液中或游离态的的材料中，厚度在1纳米至1微米之间，具有 很多独特的性质和广泛的应用领域。
薄膜材料的应用领域
光电子学
薄膜材料广泛应用于制造LED、 太阳能电池等光电学器件，同时 也可用于照明和显示领域。
微电子学
薄膜材料的狭窄厚度和多层结构 可以制造出微小的电子元件和IC 芯片，促进了微电子学的发展。
电化学法
4
化学溶胶-凝胶法和溶液旋涂法等。
通过电位差驱动溶液中的溶质向电极表 面沉积成薄膜，包括阳极氧化法和电解
沉积法等。
质量控制
表面形貌
• 表面光洁度 • 晶体缺陷 • 异质界面及其影响
厚度和成分控 制
• 控制成核速率 和生长速率
• 反应气体流量 和温度的控制
• 使用复合膜技术
结晶结构和晶 体质量
涂层和保护层
薄膜材料在航空航天、汽车制造 和建筑领域中可以制作高效的涂 层和保护层，提高了产品的耐磨 性和力学性能。
薄膜材料的制备意义和困难
独特性能
薄膜材料具有高表面积、可控性、多功能性和 结构纳米尺度效应等独特性能，与传统材料相 比具有很大的优势。
制备困难
由于薄膜材料的厚度非常小，制备过程中需要 克服小尺寸效应和表面能变化等问题，因此制 备起来比较困难。
• 控制生长速率 和生长温度
第三章 薄膜材料的主要制备方法ppt课件
温成膜
化学工业，光学工业， 电子工业
与下述放电（等离子体） 聚合的应用相近，特别 是可满足要求更高的局 部处理，如精细线的光 扫描聚合等
放电（等离子 体）聚合
采用低温等离子体，激发 能量的变化范围宽，可以 制备各种不同的膜层，应 用对象范围宽
蒸发模式多样，生成机制复杂
适用对象广泛，各种类 型的聚合物，桥架反应， 保护膜，分离膜，光学 膜，电子材料膜，耐磨 抗蚀膜等
杂质混入少
类的组合、选择等受到限制
化学保护，提高电学性 能，提高光学性能，装 饰效果，提高与生物体 的适应性，赋予传感功 能等
干
聚合反应
同上。可促进反应的进行
式
既可进行局部处理，又可
法
光聚合反应 (CVD)
进行大面积处理，激发能
量小，能量的变化范围小， 对膜层的损伤范围小，生
需要对光源进行选择
成膜中的杂质少，可在低
材料不能成膜
箔，装饰，玩具等
.
方 法 化学的制模法
优点
缺点
主要应用
热分解法
装置简单
整个反应系统处于高温。膜厚控 制困难，难以通过掩模形成所需 要的图形
化学工业，光学工业， 电子工业
气相反应法 装置简单
同上
保护膜，表面钝化膜， 装饰，耐磨抗蚀
吸附反应
不需要溶剂，蒸发能量小， 膜层的生长速率低，反应气体种
图3.32 半导体材料的平衡蒸气压随 温度的变化曲线
.
真空蒸发装置
真空蒸发所使用的设备根据目的不同可能有很大的差别，从简单的 电阻加热蒸镀到极为复杂的分子束外延设备都属于真空蒸发沉积的范畴。 在蒸发沉积装置中，最重要的是蒸发源，根据其加热原理可以分为以下 几种：
最全的各种薄膜制备-PPT课件
二、蒸发源和蒸发方式
1、电阻蒸发源（盛放镀料的器皿）： 电阻蒸发源材料要求：
a） 高熔点，低蒸汽压 b） 不与蒸发料发生相互溶解或化学反应 c） 易被液态的蒸发材料润湿。 常用材料：钨、钼、钽 加热方式：利用大电流通过时产生的焦耳热直接加热镀 膜材料使其蒸发，可用于蒸发温度小于1500℃的许多金 属和一些化合物。 优缺点：结构简单，方便使用;蒸发源与镀料相互接触， 易对镀料造成污染或与其反应，且无法进行高熔点材料的 蒸发镀膜。
磁控溅射原理图
4、合金溅射和反应溅射
合金溅射产生的问题：由于溅射速率不同 导致溅射初期成分不均匀。但对薄膜成分 影响不大 反应溅射：化合物靶材溅射时，部分化合 物分子的化学键被击断后部分逃逸，造成 薄膜成分与靶材化合物成分有一定偏离。 采用单质靶材并在放电气体中通入一定的 活性气体来获得化合物来制取各种化合物 薄膜。
2、真空度
为什么镀膜时镀膜室内要具有一定的真空度？ 一方面原因：真空环境可防止工件和薄膜本身的污 染和氧化，便于得到洁净致密的各种薄膜。 另一方面原因：真空镀膜时，为了使蒸发料形成的 气体原子不受真空罩内的残余气体分子碰撞引起散 射而直接到达基片表面。 注意：一般蒸镀真空度为（10-2～10-5）Pa。这里 强调的真空度指的是蒸发镀膜前真空罩的起始气压。
2、化合物蒸镀
分解现象：常用化合物蒸发材料蒸镀薄膜 时，一些化合物会在高温下分解，从而造 成其中的高蒸气压组分的降低。 解决方法：(1) 向反应室内加热反应气体 以补充气体组分的损失。 (2) 反应蒸镀。
四、蒸镀特点与用途
蒸镀只用于镀制对结合强度要求不高的某 些功能膜; 例如用作电极的导电膜，光学镜 头用的增透膜等。 蒸镀用于镀制合金膜时在保证合金成分这 点上，要比溅射困难得多，但在镀制纯金 属时，蒸镀可以表现出镀膜速率快的优势。
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➢ 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。
2XPLeabharlann 引言➢ K.Siegbahn给这种谱仪取名为化学分析电子 能谱(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis)，简称为“ESCA”，这一称谓仍在 分析领域内广泛使用。
Incident energy Instrument work function Element binding energy
Kinetic Energy
EV
EF
Binding Energy
Characteristic Photoelectron
Valance band
h
Core levels
8
XPS X射线光电子谱仪
❖X射线光电子谱仪
X射线
Mg 靶
能量(eV)
相对强度
K1
1253.7
67.0
K2
1253.4
33.0
K’
1258.2
1.0
K3
1262.1
9.2
K4
1263.1
5.1
K5
1271.0
0.8
K6
1274.2
0.5
K
1302.0
2.0
Al 靶
能量(eV)
相对强度
1486.7
67.0
15
XPS X射线光电子谱基本原理
❖突然近似
➢ Koopmans定理使某轨道电子结合能EB的求取 变成计算该轨道电子波函数本征值而与终态无 关，使计算简化。
➢ 因为忽略了电离后终态的影响，这种方法只适 用于闭壳层体系。
➢ 随着科学技术的发展，XPS也在不断地完善。 目前，已开发出的小面积X射线光电子能谱， 大大提高了XPS的空间分辨能力。
3
XPS 光电效应
❖光电效应
➢ Core level electrons are ejected by the x-ray radiation
➢ The K.E. of the emitted electrons is dependent on:
4
XPS 光电效应
❖光电效应
根据Einstein的能量关系式有： h = EB + EK 其中 为光子的频率，EB 是内层电子的轨道结合能，EK
是被入射光子所激发出的光电子的动能。实际的X射线光 电子能谱仪中的能量关系。即
E B V h E K (S PS )
其中为真空能级算起的结合能SP和S分别是谱仪和样品
的功函数 。
5
XPS 光电效应
❖光电效应
EBV与以Fermi能级算起的 结合能EBF间有
EB VEB F S
因此有：
E B FhE KSP
6
XPS X射线光电子谱仪
❖X射线光电子谱仪
7
XPS X射线光电子谱仪
❖X射线光电子谱仪
➢ 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。
132.3 151.4 1041.0 1253.6 1486.6 1739.4 4511 5415 8048
半峰高宽
(eV)
0.44
0.77
0.4
0.7
0.8
0.8
1.4
2.1
2.5
12
XPS X射线光电子谱基本原理
❖ X射线光电子谱基本原理 ➢ X射线光电子能谱的理论依据就是Einstein的
光电子发射公式，在实际的X射线光电子谱分 析中，不仅用XPS测定轨道电子结合能，还经 常用量子化学方法进行计算，并将二者进行比 较。
➢ 除在一般的分析中人们所经常使用的Al/Mg双阳极X射 线源外，人们为某些特殊的研究目的，还经常选用一 些其他阳极材料作为激发源。
➢ 半峰高宽是评定某种X射线单色性好坏的一个重要指标。
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XPS X射线光电子谱仪
❖X射线光电子谱仪
射线
Y
M
Zr
M
Na
K
Mg
K
Al
K
Si
K
Ti
K1
Cr
K1
Cu
K1
能量
1486.3
33.0
1492.3
1.0
1496.3
7.8
1498.2
3.3
1506.5
0.42
1510.1
0.28
1557.0
2.0
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XPS X射线光电子谱仪
❖X射线光电子谱仪
➢ 作为X射线光电子谱仪的激发源，希望其强度大、单色 性好。
➢ 同步辐射源是十分理想的激发源，具有良好的单色性， 且可提供10 eV~10 keV连续可调的偏振光。
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XPS X射线光电子谱基本原理
❖突然近似
➢按照这个假设前提，Koopmans认为轨道电子的结合 能在数值上等于中性体系该轨道自洽单电子波函数的本 征值的负值，即
E B K T (n ,l,j) E S C F (n ,l,j)
其中：表示用自洽场方法求得的ESCF(n, l, j)轨道电子能量 的 本征值 ， n, l, j 为轨 道的三个 量子数 。 表示 EaSCF 用 Koopmans定理确定的(n, l, j)轨道电子结合能。
X射线光电子谱(XPS)
X-ray Photoelectron Spectroscopy
Qing-Yu Zhang
State Key Laboratory for Materials Modification by Laser, Ion and Electron Beams
1
XPS 引言
➢ 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。
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XPS X射线光电子谱基本原理
❖突然近似
➢ 体系受激出射光电子后，原稳定的电子结构受 到破坏，这时体系处于何种状态、如何求解状 态波函数及本征值遇到了很大的理论处理困难。 突然近似认为，电离后的体系同电离前相比， 除了某一轨道被打出一个电子外，其余轨道电 子的运动状态不发生变化而处于某一种“冻结 状态”。
➢ 在一般的X射线光电子谱仪中，没有X射线单色器，只 是用一很薄(1~2m)的铝箔窗将样品和激发源分开，以 防止X射线源中的散射电子进入样品室，同时可滤去相 当部分的轫致辐射所形成的X射线本底。
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XPS X射线光电子谱仪
❖X射线光电子谱仪
➢ 将X射线用石英晶体的(1010)面沿Bragg反射方向衍射 后便可使X射线单色化。X射线的单色性越高，谱仪的 能量分辨率也越高。
2XPLeabharlann 引言➢ K.Siegbahn给这种谱仪取名为化学分析电子 能谱(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis)，简称为“ESCA”，这一称谓仍在 分析领域内广泛使用。
Incident energy Instrument work function Element binding energy
Kinetic Energy
EV
EF
Binding Energy
Characteristic Photoelectron
Valance band
h
Core levels
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XPS X射线光电子谱仪
❖X射线光电子谱仪
X射线
Mg 靶
能量(eV)
相对强度
K1
1253.7
67.0
K2
1253.4
33.0
K’
1258.2
1.0
K3
1262.1
9.2
K4
1263.1
5.1
K5
1271.0
0.8
K6
1274.2
0.5
K
1302.0
2.0
Al 靶
能量(eV)
相对强度
1486.7
67.0
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XPS X射线光电子谱基本原理
❖突然近似
➢ Koopmans定理使某轨道电子结合能EB的求取 变成计算该轨道电子波函数本征值而与终态无 关，使计算简化。
➢ 因为忽略了电离后终态的影响，这种方法只适 用于闭壳层体系。
➢ 随着科学技术的发展，XPS也在不断地完善。 目前，已开发出的小面积X射线光电子能谱， 大大提高了XPS的空间分辨能力。
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XPS 光电效应
❖光电效应
➢ Core level electrons are ejected by the x-ray radiation
➢ The K.E. of the emitted electrons is dependent on:
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XPS 光电效应
❖光电效应
根据Einstein的能量关系式有： h = EB + EK 其中 为光子的频率，EB 是内层电子的轨道结合能，EK
是被入射光子所激发出的光电子的动能。实际的X射线光 电子能谱仪中的能量关系。即
E B V h E K (S PS )
其中为真空能级算起的结合能SP和S分别是谱仪和样品
的功函数 。
5
XPS 光电效应
❖光电效应
EBV与以Fermi能级算起的 结合能EBF间有
EB VEB F S
因此有：
E B FhE KSP
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XPS X射线光电子谱仪
❖X射线光电子谱仪
7
XPS X射线光电子谱仪
❖X射线光电子谱仪
➢ 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。
132.3 151.4 1041.0 1253.6 1486.6 1739.4 4511 5415 8048
半峰高宽
(eV)
0.44
0.77
0.4
0.7
0.8
0.8
1.4
2.1
2.5
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XPS X射线光电子谱基本原理
❖ X射线光电子谱基本原理 ➢ X射线光电子能谱的理论依据就是Einstein的
光电子发射公式，在实际的X射线光电子谱分 析中，不仅用XPS测定轨道电子结合能，还经 常用量子化学方法进行计算，并将二者进行比 较。
➢ 除在一般的分析中人们所经常使用的Al/Mg双阳极X射 线源外，人们为某些特殊的研究目的，还经常选用一 些其他阳极材料作为激发源。
➢ 半峰高宽是评定某种X射线单色性好坏的一个重要指标。
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XPS X射线光电子谱仪
❖X射线光电子谱仪
射线
Y
M
Zr
M
Na
K
Mg
K
Al
K
Si
K
Ti
K1
Cr
K1
Cu
K1
能量
1486.3
33.0
1492.3
1.0
1496.3
7.8
1498.2
3.3
1506.5
0.42
1510.1
0.28
1557.0
2.0
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XPS X射线光电子谱仪
❖X射线光电子谱仪
➢ 作为X射线光电子谱仪的激发源，希望其强度大、单色 性好。
➢ 同步辐射源是十分理想的激发源，具有良好的单色性， 且可提供10 eV~10 keV连续可调的偏振光。
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XPS X射线光电子谱基本原理
❖突然近似
➢按照这个假设前提，Koopmans认为轨道电子的结合 能在数值上等于中性体系该轨道自洽单电子波函数的本 征值的负值，即
E B K T (n ,l,j) E S C F (n ,l,j)
其中：表示用自洽场方法求得的ESCF(n, l, j)轨道电子能量 的 本征值 ， n, l, j 为轨 道的三个 量子数 。 表示 EaSCF 用 Koopmans定理确定的(n, l, j)轨道电子结合能。
X射线光电子谱(XPS)
X-ray Photoelectron Spectroscopy
Qing-Yu Zhang
State Key Laboratory for Materials Modification by Laser, Ion and Electron Beams
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XPS 引言
➢ 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。
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XPS X射线光电子谱基本原理
❖突然近似
➢ 体系受激出射光电子后，原稳定的电子结构受 到破坏，这时体系处于何种状态、如何求解状 态波函数及本征值遇到了很大的理论处理困难。 突然近似认为，电离后的体系同电离前相比， 除了某一轨道被打出一个电子外，其余轨道电 子的运动状态不发生变化而处于某一种“冻结 状态”。
➢ 在一般的X射线光电子谱仪中，没有X射线单色器，只 是用一很薄(1~2m)的铝箔窗将样品和激发源分开，以 防止X射线源中的散射电子进入样品室，同时可滤去相 当部分的轫致辐射所形成的X射线本底。
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XPS X射线光电子谱仪
❖X射线光电子谱仪
➢ 将X射线用石英晶体的(1010)面沿Bragg反射方向衍射 后便可使X射线单色化。X射线的单色性越高，谱仪的 能量分辨率也越高。