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光电子能谱技术在化学中的应用
光电子能谱技术在化学中的应用 谭 放 王建斌 党项南 李若昕 1.引言 1905 年,Einstein 在他的论文中解释了光电效应,而P. Auger 在 1923 年发现了Auger 效应,这两个效应构成了现在的化学分析电子能谱学的基础。分析电子动能的仪器也已经很 早就出现了,甚至早在第一次世界大战前,就已经有了利用磁场分析β射线的实验。但是, 化学研究中所需要分析的电子的能量普遍较低,所以在高分辨的测量低能电子的技术出现以 后,才有可能在化学研究中充分利用电子能谱方法,20 世纪60 年代的技术成就满足了这种 高分辨率的要求。1981 年,西格班(Kai M. Siegbahn, 1918-) 因发展高分辨率电子能谱仪并用 以研究光电子能谱和作化学元素的定量分析,与布洛姆伯根(Nicolaas Bloembergen, 1920-)和 肖洛(Arthur L. Schawlow, 1921-1999) 共同分享了该年度诺贝尔物理学奖。在化学分析电子 能谱学中,最重要的是光电子能谱法。在这篇论文里,我们将介绍光电子能谱的物理原理, X 射线光电子谱(XPS )仪器的结构,在化学中的一些应用以及发展前景。 2 .物理化学基础 (1)光电效应:光子射入原子,如光子的能量足够大,原子中的电子可以吸收光子并离 开原子成为自由电子,这种电子被称为光电子。反应的方程为 hν= Ek+ E+Es 其中,hν为光子能量(h 为普朗克常数,ν为光的频率),Ek 为出射电子动能,E 为轨道结 合能,Es 为光电子在物质中运动损失的能量。 (2 )Auger 效应:首先假定,忽略入射光子与外层电子及出射电子与内外层电子的碰撞, 这已经为理论和实验所肯定。Auger 效应分为三个步骤: (i ) 光子入射(通常为5~10kev ),通过光电效应,形成内层空穴; (ii ) 来自束缚不太紧的轨道的电子填补这个空穴; (iii )步骤(ii )所放出的能量被另外的电子吸收,使之电离,多余的能量为动能, 这样的电子即为Auger 电子。 (3 )样品荷电:X 射线辐照期间从绝缘体表面发射电子,将导致表面带上正电,这将降 低光电子的出射动能。对于非单色化 X 射线源,其中的低能光子通过光电效应得到的低能 光电子能起到补偿的作用,但对于单色化 X 射线源,荷电问题会很严重,因为低能光电子 产生得很少。通常是用高电流低能量的电子流作为补偿电流。 (4 )辐照损伤:对于待分析物质,尤其是聚合物,电子和 X 射线会引起它的降解,形 成易挥发物质,其中电子的作用尤为重要,辐射的热效应也不能忽略。相比于其他分析手段, XPS 技术算是比较温和的技术,特别是在引入X 光的单色化以后,低能电子的产生大大减 34 少,对聚合物的损伤相对较小。 (5 )价能级:为低结合能电子(0~15ev )所占据的能级,如成键轨道。 价带谱:价能级电子所生成的光电子的谱,原理上,对于分子结构来说,它能直接反映分子 结构的信息,比内能级谱线灵敏,但因其所在的能级结合能低,远小于激发光子的能量,所 以电离截面低。聚合物的最强特征谱强度一般比内能级的谱低20~100 倍。如果要能从价带 谱里得到有用的信息的话,就需要较长的时间,样品荷电和辐射损伤比较严重,同时也需要 提高仪器的灵敏度。 (6 )X 射线的单色化:将X 射线源射出的X 射线经石英晶体衍射,将不同波长的X 射 线分离,选出能量最高的X 射线(对于Al 靶来说是波长为8.3*10-10 左右的X 射线被选出)。 3 .仪器结构 (1)真空系统:目的是使电子不被残余气体分子散射,并避免残余气体分子吸附所引起 -7 的样品表面污染。一般在实验中,气体压力1.33*10 Pa 是可以接受的。现成的抽气系统有: 带液氮冷阱的水冷油扩散泵,涡轮分子泵,溅射离子泵,钛升华泵,低温泵。前三类泵常常 用于主抽气系统,其余的往往充当辅泵。以这种方式抽空并经100~160Cº 条件下烘烤一夜的 -8 乃至更低一些的基压。并且,这套系统日常还需要做定期的烘烤。 系统,可获得1.33*10 (2 )样品处理
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