X射线光电子能谱分析技术在纺织化学与染整工程中的应用.ppt

XPS在纺织化学与染整中的应用 周金丽 Contents 前言 表面与表面分析 表面是指物体（固体）的表面是在真空状态下，物体内部和真空之间的过渡区域，是物体最外面的几层原子和覆其上的一些外来原子和分子所形成的表面层。表面的厚度很小，一般在零点几纳米到几个纳米之间，表面层有其独特的性质，与内容性质完全不同。由于表面在现代科学技术中的作用日益重要，所以科学家们把表面称为物质第四态—表面态。 表面是联系外界与内部的桥梁，了解材料的表面性质和行为对我们的染整加工是十分重要的。 前言 电子能谱 一定能量的电子、X射线或紫外光作用于样品，将样品表面原子中不同能级的电子激发成自由电子，这些电子具有特征能量，收集这类电子并研究它们的能量分布. 按激发源分类： 前言 XPS X射线光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectro-scopy, XPS）技术也被称为化学分析电子能谱（Electron Spectroscopy for Chemical Analysis）。 X射线光电子能谱是是一种基于光电效应的电子能谱，XPS是测量电子能量的谱学技术。它是利用X射线光子激发出物质表面原子的内层电子，通过对这些电子进行能量分析而获得的一种能谱，是一种高灵敏度的微量表面分析技术，其样品分析深度约为 0~ 50?。由于光电子主要来自表面原子的内壳层携带有表面丰富的物理和化学信息，故可进行表面分析，探测表面化学组成、确定各元素的化学状态。 XPS发展历程 XPS发展历程 该技术最早用于体相（或气相）分析的，但早在1966年，已经有人认识到它的检测深度是比较浅的，也就是说，该技术可应用于表面分析，但一直到上世纪七十年代初，该技术才广泛应用于表面分析，因为直到此时人们才精确知道慢电子的平均自由程。 XPS原理 1.X射线与物质相互作用 XPS原理 2.光电效应 具有足够能量的入射光子(hν) 同样品相互作用时，光子把它的全部能量转移给原子、分子或固体的某一束缚电子，使之电离 。 XPS 实验技术及特点 XPS仪包括：超高真空系统（UHV）、X光源、分析器系统、数据处理和进样器。 XPS 实验技术及特点 1 超真空系统 是进行现代表面分析及研究的主要部分，使用UHV原因有： 第一点，XPS涉及到电子或X射线光束与待分析的样品表面的相互作用，测量光电子。若入射束要到达样品,并要检测到出射的电子，则其在样品区域中的平均自由程必须大于所涉及到的仪器的物理尺寸，否则散射会引起实验结果的失真。 第二点，表面灵敏分析技术对样品表面清洁度的要求比其它分析技术要高得多。对表面杂质来讲当前表面分析方法的检测限约为0.1%单层，但有时很小的杂质浓度也会引起可观的影响，因此清洁表面的制备和维持是十分必要的。表面分析需要在超高真空中(UHV)进行，才能保证表面不会在分析过程中被污染。 XPS 实验技术及特点 2 XPS光源 分类： Mg/Al双阳极X射线源 XPS 实验技术及特点 3 分析器系统 组成：电子透镜系统、能量分析器和电子检测器。 3.1 能量分析器（核心部件） 能量分析器用于在满足一定能量分辨率、角分辨率和灵敏度的要求下，析出某能量范围的电子，测量样品表面出射的电子能量分布。分辨能力、灵敏度和传输性能是它的三个主要指标。 须在高真空条件下工作，一般压力应低于1.33×10-3Pa,以尽量减少电子同分析器重残存气体分子碰撞的几率。 XPS 实验技术及特点 目前常用的静电偏转型分析器有球面偏转分析器(CHA)和筒镜分析器(CMA)两种。半球型能量分析器，它能改变两球面间的电位差，不同能量的电子依次通过分析器，分辨率高。如左图。筒镜分析器，同轴圆筒，外筒接负压、内筒接地，两筒之间形成静电场； 灵敏度高、分辨率低，如右图。 3.1 能量分析器 XPS 实验技术及特点 4 样品 使用XPS检测的试样样品在超高真空下必须稳定，无腐蚀性、无磁性、无挥发性, 固态样品需片状、块状或粉末，在样品的保存和传送过程中应尽量避免样品表面被污染。样品制备如下。 XPS 实验技术及特点 4 特点 应用举例 谱图分析步骤： 在XPS谱图中首先鉴别出C1s、O1s、C(KLL) 和O(KLL)的谱峰（通常比较明显）。 鉴别各种伴线所引起的伴峰。 先确定最强或较强的光电子峰（或俄歇电子峰），再鉴定弱的谱线。 辨认p、d、f自旋双重线，核对所得结论。 应用举例 1 摩擦化学的研究 对摩擦过程中发生的化学变化进行详细的分析，从而获得合理的摩擦机理解释，这对于深入研究材料的摩擦机理、指导改善材料的摩擦性能都是非常重要的。 章明秋等人使用XPS研究辐照接枝改性无机纳米SiO2对环氧树脂摩擦性能的影响。结果表明，纳米粒子经辐照接枝改性后，由大团聚体转变