材料现代分析测试方法XPS.ppt

第五章 光电子能谱与俄歇电子能谱 X射线光电子能谱（ X-ray Photoelectron Spectroscopy， XPS） 紫外光电子能谱（ Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy， UPS） 俄歇电子能谱： （Auger Electron Spectroscopy，AES） 主要用于分析表面化学分析、表面吸附分析、断面的成分分析。 一.电子的结合能与光电效应 光电效应：在外界光的作用下，样品中的原子吸收入射光子的能量，若入射光子的能量大于原子中某一层电子的结合能和样品的功函数，则吸收了光子的电子将离开样品表面进入真空，且具有一定的动能，此即光电效应。如图 一.电子的结合能与光电效应 光电效应的能量关系： 一.电子的结合能与光电效应 实际上，用能量分析器分析电子动能时，样品与仪器样品架相连，电接触良好且电子迁移达平衡时，两者的费米能级在同一水平，但功函数不同。存在接触电势差? ＝ ?- ?1 ，使自由电子的动能由Ec变为Ec1，则：Ec+ ? = Ec1+ ?1= hν－EB;所以 EB = hν－Ec1－ ?1 ?1一般为常数 (约4eV)，Ec1由电子能谱测得，因此，可求出样品的电子结合能EB。 EB = hν－Ec1－ ?1 不同元素的原子，其电子结合能EB不同，电子结合能是特征性的。因此，我们可以根据电子的结合能对物质的元素种类进行定性分析。 经X射线照射后，从样品表面某原子出射的光电子的强度是与样品中该原子的浓度有线性关系，因此，可以利用它进行元素的半定量分析。 三. XPS，UPS的特点 分析层薄，0.5～2.0nm。 分析元素广，除H和He外所有元素。 主要用于样品表面各类物质的化学状态鉴别，能进行各种元素的半定量分析。 具有测定深度-成分分布曲线的能力。 空间分辨率较差，μm级。 数据收集速度慢，对绝缘样品有一个充电效应问题。 § 5.2 光电子能谱实验技术 （一）.X射线光电子能谱仪 XPS仪由X射线激发源、样品台、电子能量分析器、检测器系统、超高真空系统等部分组成。 （一）.X射线光电子能谱仪 （一）.X射线光电子能谱仪 电子能量分析器 电子能量分析器是XPS的中心部件。其功能是测量光电子的能量分布。有两种类型：半球形分析器和筒镜形分析器。 半球形分析器对光电子的传输效率高和能量分辨率好，多用在XPS谱仪上。 筒镜形分析器对俄歇电子的 传输效率高，主要用在俄歇 电子能谱仪上。 （一）.X射线光电子能谱仪 半球形分析器。 （一）.X射线光电子能谱仪 超高真空系统 在XPS仪中必须采用超高真空系统，主要是出于以下两方面的原因： 避免X射线和光电子与残余气体分子碰撞而损失能量。 保持样品表面的原始状态，不发生表面吸附现象。 二. 样品的制备及测定 （一）样品的制备与安装 无机材料 一般情况下，尤其在分析样品自然表面时，无须制备，但在分析前须去除易挥发的污染物，常用方法有： 溶剂清洗或长时间抽真空，以除去试样表面的污染物。如对陶瓷或金属样，用乙醇或丙酮擦洗，然后用蒸馏水洗掉溶剂，吹干或烘干。 用氩离子刻蚀法除去表面污染物。 擦磨、刮剥和研磨。表层与内表面的成分相同的固体样品，用SiC纸擦磨或用刀片刮剥；粉末样品采用研磨的办法使之裸露出新的表面层。 真空加热法。对于能耐高温的样品可采用在高真空度下加热的办法除去样品表面的吸附物。 粉末、有机和高聚物样品 压片法。软散的样品采用压片的方法。 溶解法。样品溶解于易挥发的有机溶剂中，然后将1～2滴溶液滴在镀金的样品托上，晾干或用吹风机吹干。 研压法。对不溶于易挥发有机溶剂的样品，可将少量样品研磨在金箔上，使其形成薄层。 全扫描：取全谱与标准谱线对照，找出各条谱线的归属。以便识别样品中所有元素，并为窄区谱（高分辨谱）的能量设置范围寻找依据。结合能扫描范围1100～0 eV，分辨率2eV。 窄扫描：对某一小段感兴趣的能量范围扫描分析，分辨率0.1eV。扫描区间括待测元素的能量范围，但又没有其他元素的谱线干扰。窄扫描可以得到谱线的精细结构。另外，定量分析最好也用窄区谱，这样误差更小。 1. 原子能级的划分 原子中单个电子的运动状态用量子数n，l，m l ，ms来描述。 n为主量子数，电子的能量主要取决于n，n值越大，电子的能量越高。n = 1，2，3，4，…，但不等于零，通常以 K，L，M，N，…表示。 l 为角量子数 ，它决定电子云的几何形状，不同的 l 值 将原子内的电子壳 层 分 成 几 个 亚 层 ， 即 能 级 。 l = 0，1，2，…，（n－1）。通常分别用 s，p，d，f，