第七节讲义电子能谱学
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• 各种类型的电子能谱以及产生机理图可见表一和图1。
电子能谱学的研究内容（2）
电子能谱学与表面分析的关系
• 电子能谱学与表面分析有着不可分割的关系。电子 能谱学中的主要技术均具有非常灵敏的表面性，是 表面分析的主要工具。
• 而表面分析在微电子器件，催化剂，材料保护，表 面改性以及功能薄膜材料等方面具有重要的应用价 值。这些领域的发展促进了表面分析技术的发展， 同样也就促进了电子能谱学的发展。
• 此外，由于由样品表面发射的电子或离子的信号非常微弱， 一般在10－11A的量级，因此，没有前置放大技术，根本不 可能获得谱图。此外，分析器的能量分辨率，直接关系到 电子能谱的应用，必须具有足够的分辨率，才能在表面分 析上应用。微电子技术是电子能谱学发展的技术基础
• 计算机技术的发展，大大促进了电子能谱学的深层次的发 展，如界面化学结构信息等。
第七节电子能谱学
精品
前言
• 电子能谱学的范畴； • 电子能谱学（Electron Energy
Spectroscopy）的定义；
• 与其他学科的关系，是最近三十年发展起 来的一门综合性学科。
• 电子能谱学与原子，分子和固体的关系； 它是研究原子，分子和固体材料的有力工 具。
电子能谱学的定义
• 电子能谱学可以定义为利用具有一定能量的粒子 （光子，电子，离子，中性粒子）轰击特定的样 品，研究从样品中释放出来的电子或离子的能量 分布和空间分布，从而了解样品的物理化学基本 特征的方法。
• 对于XPS和AES还可以对表面元素做出一次全部定 性和定量分析，还可以利用其化学位移效应进行元 素价态分析；利用离子束的溅射效应可以获得元素 沿深度的化学成份分布信息。
• 此外，利用其高空间分别率，还可以进行微区选点 分析，线分布扫描分析以及元素的面分布分析。
• 这些技术使得电子能谱学在材料科学，物理学，化 学，半导体以及环境等方面具有广泛的应用。
• 如：光电子能谱的建立的基础是Einstein的光电效 应，俄歇电子能谱的基础是俄歇电子的发现。
• 物理学是电子能谱学的发展基础，但电子能谱学 的应用不仅仅局限于物理学，在化学，材料以及 电子等学科方面具有重要的应用前景。
电子能谱学与其它学科的关系
• 现代电子能谱学已经发展为一门独立的， 完整的学科。
• 40-50年代发现用X射线照射固体材料并测量由此引起的电 子动能的分布，但当时可达到的分辩率还不足以观测到光电 子能谱上的光电子峰。
电子能谱的发展趋势
• 电子能谱的总体发展趋势是向高空间分辨， 高能量分辨，图像分析方面发展。
• 目前，最先进的XPS其空间分辨率可达到 10微米，最先进的俄歇电子能谱其空间分 辨率可达到6nm。
• 此外，随着纳米技术与薄膜技术的发展， 对其深度分辨能率也越来越高。
本课程的主要内容
• X射线光电子能谱（XPS） 基本原理 仪器装置 实验技术与分析方法 在典型领域的研究应用
电子能谱学的发展基础（2）
• 真空技术的发展是电子能谱学发展的重要前提。由于粒子 可以和气体分子发生碰撞，从而损失能量。没有超高真空 技术的发展，各种粒子很难到达固体样品表面，从固体表 面发射出的电子或离子也不能到达检测器，从而难以获得 电子能谱的信息。
• 此外，电子能谱的信息主要来源于样品表面，没有超高真 空技术，获得稳定的清洁表面是非常困难的。一个清洁表 面暴露在1.33×10－4Pa的真空中1秒，就可以在样品表面 吸附一个原子层。没有超高真空，就没有清洁表面，也就 不能发展电子能谱技术。
• 入射粒子与样品中的原子发生相互作用，经历各 种能量转递的物理效应，最后释放出的电子和粒 子具有样品中原子的特征信息。
• 通过对这些信息的解析，可以获得样品中原子的 各种信息如元素的含量，物质的电子结构，元素 化学价态等。
电子能谱学的物理基础
• 电子能谱学的发展基础是物理学，是物理的概念 和技术为其它学科所用。电子能谱学的基本原理 均来源于物理学的重大发现和重要的物理效应。
• 电子能谱学的特点是其表面性以及价态关系，这决 定了电子能谱在表面分析中的地位。
• 表2是不同表面分析技术的特点，从中可以认识到， 电子能谱在表面分析中所占据的决定地位。
电子能谱学与表面分析的关系
电子能谱学与表面分析的关系
电子能谱学的应用
• 电子能谱学的应用主要在表面分析和价态分析方面。 可以给出表面的化学组成，原子排列，电子状态等 信息。
• 但电子能谱学也同样是与多种学科交叉和 融合的。
• 总的来说，电子能谱学融合了物理学，电 子学，计算机以及化学等学科。它是这些 学科发展的交叉点，涉及到固体物理，真 空电子学，物理化学，计算机数据等领域。
电子能谱学的发展基础（1）
• 电子能谱学发展的最重要的基础是物理学。物理学理论和 效应的发展和建立是电子能谱学的理论基础。如爱因斯坦 的光电效应理论，实际上就是光电子能谱的最基本的理论。 在该理论中指明了光电子能量与发射电子能量的关系。
• 紫外光电子能谱（UPS） • 俄歇电子能谱（AES） • 离子散射谱（ISS) • 电子能量损失谱（EELS)
电子ຫໍສະໝຸດ Baidu谱学
X射线光电子能谱基本原理
光电子能谱发展历史
• 光电效应的发现 • Einstein关系式 • 光电子能谱的建立 • 光电子能谱的应用 • 光电子能谱的发展趋势
发展历史
• 1905 Einstein建立光电理论解释了碱金属经光线辐照产生光 电流的光电效应；hv=Ik+Ek
电子能谱学的研究内容（1）
• 电子能谱学的内容非常广泛，凡是涉及到利用电子，离子 能量进行分析的技术，均可归属为电子能谱学的范围。
• 根据激发粒子以及出射粒子的性质，可以分为以下几种技 术。紫外光电子能谱（Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy，UPS），X射线光电子能谱（X－ray Photoelectron Spectroscopy，XPS）,俄歇电子能谱 （Auger Electron Spectroscopy, AES），离子散射谱 （Ion Scattering Spectroscopy，ISS），电子能量损失谱 （Electron Energy Loss Spectroscopy，EELS）等。
电子能谱学的研究内容（2）
电子能谱学与表面分析的关系
• 电子能谱学与表面分析有着不可分割的关系。电子 能谱学中的主要技术均具有非常灵敏的表面性，是 表面分析的主要工具。
• 而表面分析在微电子器件，催化剂，材料保护，表 面改性以及功能薄膜材料等方面具有重要的应用价 值。这些领域的发展促进了表面分析技术的发展， 同样也就促进了电子能谱学的发展。
• 此外，由于由样品表面发射的电子或离子的信号非常微弱， 一般在10－11A的量级，因此，没有前置放大技术，根本不 可能获得谱图。此外，分析器的能量分辨率，直接关系到 电子能谱的应用，必须具有足够的分辨率，才能在表面分 析上应用。微电子技术是电子能谱学发展的技术基础
• 计算机技术的发展，大大促进了电子能谱学的深层次的发 展，如界面化学结构信息等。
第七节电子能谱学
精品
前言
• 电子能谱学的范畴； • 电子能谱学（Electron Energy
Spectroscopy）的定义；
• 与其他学科的关系，是最近三十年发展起 来的一门综合性学科。
• 电子能谱学与原子，分子和固体的关系； 它是研究原子，分子和固体材料的有力工 具。
电子能谱学的定义
• 电子能谱学可以定义为利用具有一定能量的粒子 （光子，电子，离子，中性粒子）轰击特定的样 品，研究从样品中释放出来的电子或离子的能量 分布和空间分布，从而了解样品的物理化学基本 特征的方法。
• 对于XPS和AES还可以对表面元素做出一次全部定 性和定量分析，还可以利用其化学位移效应进行元 素价态分析；利用离子束的溅射效应可以获得元素 沿深度的化学成份分布信息。
• 此外，利用其高空间分别率，还可以进行微区选点 分析，线分布扫描分析以及元素的面分布分析。
• 这些技术使得电子能谱学在材料科学，物理学，化 学，半导体以及环境等方面具有广泛的应用。
• 如：光电子能谱的建立的基础是Einstein的光电效 应，俄歇电子能谱的基础是俄歇电子的发现。
• 物理学是电子能谱学的发展基础，但电子能谱学 的应用不仅仅局限于物理学，在化学，材料以及 电子等学科方面具有重要的应用前景。
电子能谱学与其它学科的关系
• 现代电子能谱学已经发展为一门独立的， 完整的学科。
• 40-50年代发现用X射线照射固体材料并测量由此引起的电 子动能的分布，但当时可达到的分辩率还不足以观测到光电 子能谱上的光电子峰。
电子能谱的发展趋势
• 电子能谱的总体发展趋势是向高空间分辨， 高能量分辨，图像分析方面发展。
• 目前，最先进的XPS其空间分辨率可达到 10微米，最先进的俄歇电子能谱其空间分 辨率可达到6nm。
• 此外，随着纳米技术与薄膜技术的发展， 对其深度分辨能率也越来越高。
本课程的主要内容
• X射线光电子能谱（XPS） 基本原理 仪器装置 实验技术与分析方法 在典型领域的研究应用
电子能谱学的发展基础（2）
• 真空技术的发展是电子能谱学发展的重要前提。由于粒子 可以和气体分子发生碰撞，从而损失能量。没有超高真空 技术的发展，各种粒子很难到达固体样品表面，从固体表 面发射出的电子或离子也不能到达检测器，从而难以获得 电子能谱的信息。
• 此外，电子能谱的信息主要来源于样品表面，没有超高真 空技术，获得稳定的清洁表面是非常困难的。一个清洁表 面暴露在1.33×10－4Pa的真空中1秒，就可以在样品表面 吸附一个原子层。没有超高真空，就没有清洁表面，也就 不能发展电子能谱技术。
• 入射粒子与样品中的原子发生相互作用，经历各 种能量转递的物理效应，最后释放出的电子和粒 子具有样品中原子的特征信息。
• 通过对这些信息的解析，可以获得样品中原子的 各种信息如元素的含量，物质的电子结构，元素 化学价态等。
电子能谱学的物理基础
• 电子能谱学的发展基础是物理学，是物理的概念 和技术为其它学科所用。电子能谱学的基本原理 均来源于物理学的重大发现和重要的物理效应。
• 电子能谱学的特点是其表面性以及价态关系，这决 定了电子能谱在表面分析中的地位。
• 表2是不同表面分析技术的特点，从中可以认识到， 电子能谱在表面分析中所占据的决定地位。
电子能谱学与表面分析的关系
电子能谱学与表面分析的关系
电子能谱学的应用
• 电子能谱学的应用主要在表面分析和价态分析方面。 可以给出表面的化学组成，原子排列，电子状态等 信息。
• 但电子能谱学也同样是与多种学科交叉和 融合的。
• 总的来说，电子能谱学融合了物理学，电 子学，计算机以及化学等学科。它是这些 学科发展的交叉点，涉及到固体物理，真 空电子学，物理化学，计算机数据等领域。
电子能谱学的发展基础（1）
• 电子能谱学发展的最重要的基础是物理学。物理学理论和 效应的发展和建立是电子能谱学的理论基础。如爱因斯坦 的光电效应理论，实际上就是光电子能谱的最基本的理论。 在该理论中指明了光电子能量与发射电子能量的关系。
• 紫外光电子能谱（UPS） • 俄歇电子能谱（AES） • 离子散射谱（ISS) • 电子能量损失谱（EELS)
电子ຫໍສະໝຸດ Baidu谱学
X射线光电子能谱基本原理
光电子能谱发展历史
• 光电效应的发现 • Einstein关系式 • 光电子能谱的建立 • 光电子能谱的应用 • 光电子能谱的发展趋势
发展历史
• 1905 Einstein建立光电理论解释了碱金属经光线辐照产生光 电流的光电效应；hv=Ik+Ek
电子能谱学的研究内容（1）
• 电子能谱学的内容非常广泛，凡是涉及到利用电子，离子 能量进行分析的技术，均可归属为电子能谱学的范围。
• 根据激发粒子以及出射粒子的性质，可以分为以下几种技 术。紫外光电子能谱（Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy，UPS），X射线光电子能谱（X－ray Photoelectron Spectroscopy，XPS）,俄歇电子能谱 （Auger Electron Spectroscopy, AES），离子散射谱 （Ion Scattering Spectroscopy，ISS），电子能量损失谱 （Electron Energy Loss Spectroscopy，EELS）等。