第四章光电子能谱课程.ppt

第四章　光电子能谱;表面分析的主要内容有 表面化学组成：表面元素组成，表面元素的分布，表面元素的化学态，表面化学键，化学反应等 表面结构：表面原子排列，表面弛豫，表面再构，表面缺陷，表面形貌 表面原子态：表面原子振动状态，表面吸附(吸附能、吸附位)，表面扩散，分凝等 表面电子态：表面电荷密度分布及能量分布(DOS)，表面能级性质，表面态密度分布，价带结构，功函数 ;在所有现代表面分析技术中，使用最早、最广泛、也是最成熟的当推电子能谱 电子能谱：俄歇电子能谱、光电子能谱、电子能量损失谱等 电子能谱技术中，发展最快，具有较高实用价值的是俄歇电子能谱(AES)和光电子能谱（Photoelectron Spectroscopy） 光电子能谱是以光子束为探束来对原子不同层次电子进行非弹性散射，分析弛豫产生多种二次电子信息的方法;电子能谱探测的对象 从固体表面层射出的携带着表面层中大量信息的电子，可直接研究表面及体相的元素组成、电子组态和分子结构 电子能谱的独特优点 电子的非弹性散射平均自由程很小，一般只有1nm左右，因此具有较高的表面灵敏度 电子易聚焦，特别是应用静电场作为聚焦和分析系统可精确地得到角分布和能量分布 电子对真空室的真空无影响 电子可有效地探测和计数;电子能谱可广泛用于科学研究和工程技术的诸多领域 物理学：键结构、表面电子态、固体的能带结构、合金的构成与分凝、粘附、迁移与扩散 化学：元素和分子分析、化学键、分子结构分析、氧化还原、光化学 催化科学：元素组成、活性、表面反应、催化剂中毒 腐蚀科学：吸附、分凝、表面氧化与钝化 材料科学：电子能谱是研究各种镀层、涂层和表面处理层(钝化层保护层等)的最有效手段，广泛应用于金属、高分子等材料的表面处理、金属或聚合物的淀积、防腐蚀、抗磨、断裂等方面的分析 微电子技术：电子能谱可对材料和工艺过程进行有效的质量控制和分析，注入和扩散分析 薄膜研究：光学膜、磁性膜、超导膜、钝化膜、太阳能电池薄膜等，层间扩散，离子注入 ;光电子能谱也称化学分析电子光谱学（Electron Spectroscopy for Chemical Analysis，ESCA） 依据探束不同有两种常用方法： X光电子谱（X-ray Photoelectron Spectroscopy，XPS）：用软X-ray（200～2000eV）作为探束 紫外光电子谱（Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy，UPS）：用真空UV（10 ～ 45eV）作为探束 因(h?)X-ray(h?)UV，XPS对金属、无机、化合物等键强较大的物质适用； UPS对分子键、氢键等较弱键为主的有机化合物更合适。XPS和UPS是当今化工、材料、化学、物理、冶金、信息等领域的重要研究实验手段 两种方法原理相同，本章主要针对XPS进行讨论 ;光电子谱是由瑞典Uppsala University物理学家Kai M. Siegbahn与其同事于1962年发现，并历经20年时间研究建立的 ;Heinrich Rudolf Hertz（1857-1894） ; 信息产生机理 信息的产生是基于能量为h?的光子与物质原子中的电子产生非弹性散射过程。当一个h?光子把其能量传递给原子中某一壳层上受束缚电子，且当h?大于克服该电子结合能Eb(binding energy, BE )，则可将其激发电离为二次电子，并以一定动能EK(kinetic energy, KE)逸出，可见信息产生是基于爱因斯坦光电效应;光电发射可归纳为以下三个过程： 某一壳层电子因光吸收而激发成自由电子（二次电子） 释放出电子向固体表面移动（与电子能量及逸出深度有关）和在移动过程中的吸收衰减 克服表面势场而出射，脱离固体 ;基于这种光电效应，可能有三种信息： 光电子（二次电子）信息 （XPS、UPS） 光激发荧光特征X光信息（电子探针显微分析，EPMA） 光激发俄歇电子信息（AES） 从而可以建立三种研究方法，后两种研究方法已分别在前两章中作了介绍，本章要讨论的就是第一种研究方法 ; 信息能量 从信息产生的爱因斯坦光电效应可知，入射光子h?与原子的某内壳层电子产生非弹性散射时，其h? 能量将消耗于以下几部分： 克服结合能Eb 逸出功?S 转换为出射动能EK 逸出表面时产生的反冲能Er （因电子逸出而使原子产生反冲） 可给出以下能量守恒关系： ;原子的反冲能量Er可以按下式估计： 计算表明，当入射光子能量h?不太大时，Er可近似为： 可见，只要Mm，则可通过适当选择入射光束的光子能量h?，使Er维持很小，而可忽略，见下表 ;由上述讨论可见： Eb是给定物质特征的，因此光电子能量（