光電子能譜原理及應用ppt課件

1、北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話原理及運用X射線光電子能譜XPS程程 斌斌北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） 1、歷史、歷史n1877年，赫斯年，赫斯heinrich Rudolf Hertz發(fā)現(xiàn)光電效應發(fā)現(xiàn)光電效應n1907年，年，P.D.Inne用半球磁場和感光板用半球磁場和感光板記錄到不同速度電子記錄到不同速度電子n1954年，瑞典烏普沙拉年，瑞典烏普沙拉Uppsala大大學的凱學的凱.西格班西格班Kai M. Siegbahn指點指點的研討組得到第一張的研討

2、組得到第一張XPS譜圖譜圖北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） n1969年，凱年，凱.西格班和西格班和HP協(xié)作消費出第一協(xié)作消費出第一臺臺XPS儀器儀器n1981年，凱年，凱.西格班因對西格班因對XPS的奉獻獲諾的奉獻獲諾貝爾獎金貝爾獎金1、歷史、歷史北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） 2、XPS運用運用n測定資料外表組成測定資料外表組成n測定元素在化合物中的化學態(tài)測定元素在化合物中的化學態(tài)北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心

3、電話射線光電子能譜（XPS） 3、原理、原理3.1 光電效應光電效應bkhvEE電子擺脫原子核束縛所需求的能量電子脫離樣品后的動能北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） bE電子結合能(Binding Energy)原子中的電子變?yōu)檎婵罩械撵o原子中的電子變?yōu)檎婵罩械撵o止電子所需求的能量止電子所需求的能量特定原子、特定軌道上的電子特定原子、特定軌道上的電子的結合能為定值的結合能為定值bkEhvE3、原理、原理3.1 光電效應北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話：010-644

4、34725X射線光電子能譜（XPS） 3.2 原子內(nèi)層電子的穩(wěn)定性原子內(nèi)層電子的穩(wěn)定性原子上電子分為： 1、價電子；2、內(nèi)層電子 1內(nèi)層電子的結合能在一個窄的范圍內(nèi)根本是一個常數(shù)，具有原子的特征性質(zhì)。2內(nèi)層電子隨著原子化學環(huán)境的不同，仍有小的可以丈量的變化。決議體系化學反響決議體系化學反響3、原理、原理北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） 3.3、電子結合能化學位移、電子結合能化學位移 電子結合能位移：電子結合能位移： 原子的一個內(nèi)殼層電子的結原子的一個內(nèi)殼層電子的結合能受核內(nèi)電荷和核外電荷分布的的影響。任何引合能受核內(nèi)

5、電荷和核外電荷分布的的影響。任何引起這些電荷分布發(fā)生變化的要素都有能夠使原子內(nèi)起這些電荷分布發(fā)生變化的要素都有能夠使原子內(nèi)殼層電子的結合能產(chǎn)生變化。殼層電子的結合能產(chǎn)生變化。 化學位移：由于原子處于不同的化學環(huán)境化學位移：由于原子處于不同的化學環(huán)境( (如價如價態(tài)變化或與電負性不同的原子結合等態(tài)變化或與電負性不同的原子結合等) )發(fā)生改動，發(fā)生改動，所引起的結合能位移。所引起的結合能位移。 物理位移：由于物理要素物理位移：由于物理要素( (熱效應、外表電荷、熱效應、外表電荷、凝聚態(tài)的固態(tài)效應等凝聚態(tài)的固態(tài)效應等) )而引起的結合能的位移。而引起的結合能的位移。3、原理、原理北京化工大學大型精密

6、儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） 3.4、電子自在程、電子自在程 電子自在程為電子自在程為10nm10nm，只需外表上產(chǎn)生的光，只需外表上產(chǎn)生的光電子可以溢出。電子可以溢出。3、原理、原理北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） 4、X射線光電子能譜儀射線光電子能譜儀北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） 4、X射線光電子能譜儀射線光電子能譜儀4.1 構造構造北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工

7、大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） 4、X射線光電子能譜儀射線光電子能譜儀4.2 X射線源射線源金屬金屬e ex hvx hvAl k 1486eV Mg k 1253eV Al、 Mg北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） 4、X射線光電子能譜儀射線光電子能譜儀 X射線射線Mg Al 能量能量(eV)相對強度相對強度能量能量(eV)相對強度相對強度K11253.767.01486.767.0K21253.433.01486.333.0K1258.21.01492.31.0K31262

8、.19.21496.37.8K41263.15.11498.23.3K51271.00.81506.50.42K61274.20.51510.10.28K1302.02.01557.02.0北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） 4、X射線光電子能譜儀射線光電子能譜儀4.3 UHV室分析室室分析室目的：目的： 清潔樣品外表清潔樣品外表 減少空氣分子與電子的碰撞減少空氣分子與電子的碰撞機械泵分散泵分子泵升華泵機械泵分散泵分子泵升華泵北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電

9、子能譜（XPS） 4、X射線光電子能譜儀射線光電子能譜儀122221R REeVRR4.4 電子能量分析器電子能量分析器R2R1Vke V北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） 5、XPS儀普通性能儀普通性能5.1 XPS譜圖譜圖全掃描全掃描光光電電子子數(shù)數(shù)結合能結合能北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） 高分辨掃描高分辨掃描5、XPS儀普通性能儀普通性能北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子

10、能譜（XPS） 5.2 檢測元素檢測元素Li3U92 5、XPS儀普通性能儀普通性能北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） X X射線光電子能譜射線光電子能譜(XPS)(XPS)4、X射線光電子能譜儀射線光電子能譜儀北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） 5.3 測試厚度測試厚度金屬金屬 0.5-2nm 0.5-2nm氧化物氧化物 2-4nm 2-4nm有機物和聚合物有機物和聚合物 4-10nm 4-10nm5、XPS儀普通性能儀普通性能北京化工大學大

11、型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） 5.4 靈敏度靈敏度檢測限：0.1%1%5、XPS儀普通性能儀普通性能北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） 6、XPS分析分析6.1 能量標定能量標定 Al KMg KCu 3pAu 4f7/2Ag 3d5/2Cu L3MMCu 2p3/2Ag M4NN 75.140.02 83.980.02 368.270.02 567.970.02 932.670.021128.790.02 75.130.02 84.000.01 36

12、8.290.01 334.950.01 932.670.02 895.760.02北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） 6.2 荷電效應荷電效應 外表電子逸出后，絕緣樣品外表電子逸出后，絕緣樣品外表帶正電荷，構成額外電場。外表帶正電荷，構成額外電場。使使XPSXPS鐠線結合能偏離正常位置，鐠線結合能偏離正常位置，稱為荷電效應。稱為荷電效應。6、XPS分析分析北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） 6.2.1 標定標定規(guī)范樣：Ag3d5/2 368.2

13、eV Au4f7/2 84.0eV污染炭： C1s 284.8eV離子注入： Ar2p3/2 245.0eV6、XPS分析分析6.2 荷電效應北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） 6.2.2 電荷補償電荷補償 低能電子槍低能電子槍 發(fā)射電子，將內(nèi)標補償?shù)揭?guī)范位置發(fā)射電子，將內(nèi)標補償?shù)揭?guī)范位置 電子離子槍電子離子槍 可同時發(fā)射電子和離子，將內(nèi)標補償?shù)揭?guī)可同時發(fā)射電子和離子，將內(nèi)標補償?shù)揭?guī)范位置范位置6、XPS分析分析6.2 荷電效應北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光

14、電子能譜（XPS） 6.3 深度分析深度分析資料不同深度上元素及鍵合態(tài)的分析資料不同深度上元素及鍵合態(tài)的分析采用采用Ar轟擊的方法剝蝕樣品外表轟擊的方法剝蝕樣品外表優(yōu)點：可以得到恣意深度的信息優(yōu)點：可以得到恣意深度的信息缺陷：樣品化學態(tài)改動缺陷：樣品化學態(tài)改動 不同資料刻蝕速度不同不同資料刻蝕速度不同 用用Ar+不能剝蝕有機資不能剝蝕有機資料料6.3.1 離子濺射離子濺射6、XPS分析分析北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） 6、XPS分析分析6.3 深度分析6.3.1 離子濺射北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學

15、分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） 6.3.2 改動電子逸出角度改動電子逸出角度eX-raylX-raycoslllll6、XPS分析分析6.3 深度分析北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） 優(yōu)點：非破壞性，不改動樣品的形狀優(yōu)點：非破壞性，不改動樣品的形狀缺陷：分析深度有限缺陷：分析深度有限 角度旋轉后，分析面積變化角度旋轉后，分析面積變化6、XPS分析分析6.3 深度分析6.3.2 改動電子逸出角度北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射

16、線光電子能譜（XPS） 6.3.3 角分辨角分辨XPSX-rayeee6、XPS分析分析北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） 6.4 特異峰特異峰6.4.1 衛(wèi)星峰衛(wèi)星峰satellite peaks X射線普通不是單一的特征射線普通不是單一的特征X射線，射線，而是還存在一些能量略高的小伴線，而是還存在一些能量略高的小伴線，所以導致所以導致XPS中，除中，除K1,2所激發(fā)的所激發(fā)的主譜外，還有一些小峰。主譜外，還有一些小峰。 6、XPS分析分析北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話：010-64434

17、725X射線光電子能譜（XPS） 6、XPS分析分析6.4.1 衛(wèi)星峰satellite peaks北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） 6.4.2 鬼峰鬼峰ghost peaks 由于由于X X射源的陽極能夠不純或被污染，射源的陽極能夠不純或被污染，那么產(chǎn)生的那么產(chǎn)生的X X射線不純。因非陽極資料射線不純。因非陽極資料X X射射線所激發(fā)出的光電子譜線被稱為線所激發(fā)出的光電子譜線被稱為“鬼峰。鬼峰。6、XPS分析分析北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XP

18、S） 6.4.3 能量損失峰能量損失峰 對于某些資料，光電子在分開樣品對于某些資料，光電子在分開樣品外表的過程中，能夠與外表的其它電子相外表的過程中，能夠與外表的其它電子相互作用而損失一定的能量，而在互作用而損失一定的能量，而在XPSXPS低動能低動能側出現(xiàn)一些伴峰，即能量損失峰。側出現(xiàn)一些伴峰，即能量損失峰。6、XPS分析分析北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） 6、XPS分析分析6.4.3 能量損失峰北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） 6.5

19、 定量分析定量分析 I I nfA nfA 式中：式中：I I 峰強度峰強度 n n 每每cm2cm2的原子數(shù)的原子數(shù) f X f X射線通量光子射線通量光子cm2scm2s 光電截面積光電截面積cm2cm2 與與X X射線和出射光電子的夾角有關因子射線和出射光電子的夾角有關因子 光電產(chǎn)額光電子光電產(chǎn)額光電子光子光子 A A 采樣面積采樣面積cm2cm2 T T 檢測系數(shù)檢測系數(shù) 光電子的平均自在程光電子的平均自在程cmcm6、XPS分析分析北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） 111222nI SnIS令 S =A 為

20、靈敏度因子 xxxxiiiiinISCnI S知知Si, 測得測得I6、XPS分析分析6.5 定量分析北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） 7、XPS儀器新進展儀器新進展7.1 單色化單色化XPSX射線不純所呵斥的不利影響：射線不純所呵斥的不利影響： 1、衛(wèi)星峰、衛(wèi)星峰 2、分辨率不高、分辨率不高 3、譜圖背底高、譜圖背底高 北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） 7.1.1 單色化原理單色化原理7、XPS儀器新進展儀器新進展7.1 單色化XPS北京

21、化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） 反射面法線2 sinnd布拉格方程布拉格方程Bragg equation7、XPS儀器新進展儀器新進展7.1 單色化XPS北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） 原子面對X射線的反射并不是恣意的，只需當、d三者之間滿足布拉格方程時才干發(fā)生反射。7、XPS儀器新進展儀器新進展7.1 單色化XPS北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） 7.1.2 單

22、色化單色化XPS優(yōu)點優(yōu)點nX射線的寬度從射線的寬度從0.9eV降低到降低到0.25eV,單色化后的單色化后的XPS的分辨率高出很多，的分辨率高出很多，到達到達0.47eV。能得到更多化合態(tài)信。能得到更多化合態(tài)信息息n衛(wèi)星峰、鬼峰消逝衛(wèi)星峰、鬼峰消逝n樣品遭到樣品遭到X射線損傷較少。射線損傷較少。7、XPS儀器新進展儀器新進展7.1 單色化XPS北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） 7.2 小束斑小束斑XPSTorroidal CrystalAnodeElectron Gun7.2.1 原理原理7、XPS儀器新進展儀器新進

23、展北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） X射線在樣品上的光斑大小與電子打在金屬陽極上的光斑大小近似。調(diào)理電子斑大小即可調(diào)理X射線光斑大小。聚焦電子束，調(diào)理電子斑尺寸。7、XPS儀器新進展儀器新進展7.2 小束斑XPS北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） 7.2.2 特點特點nX射線光斑尺寸射線光斑尺寸20m500 m可調(diào)可調(diào)n單色化單色化X射線，射線，XPS分辨率到達分辨率到達0.47eVn樣品遭到樣品遭到X射線損傷較少。射線損傷較少。 7、XPS

24、儀器新進展儀器新進展7.2 小束斑XPS北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） 7.2.3 運用運用n特定區(qū)域分析特定區(qū)域分析n線分布或面分布線分布或面分布7、XPS儀器新進展儀器新進展7.2 小束斑XPS北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） 7、XPS儀器新進展儀器新進展7.2 小束斑XPS北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） 7、XPS儀器新進展儀器新進展線線掃掃描描7.2

25、 小束斑XPS北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） 7.3 成像成像 XPS原理原理用平行成像法進展成像用平行成像法進展成像XPS 分分析時析時,光電子進入多通道板光電子進入多通道板,經(jīng)經(jīng)過放大后變成電子脈沖信號過放大后變成電子脈沖信號,后者打在熒光板上產(chǎn)生光信后者打在熒光板上產(chǎn)生光信號號,并存儲于相應的像元中并存儲于相應的像元中7、XPS儀器新進展儀器新進展北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） 7、XPS儀器新進展儀器新進展SiSiSiOSiO2

26、 27.3 成像 XPS北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） 8. XPS運用運用8.1 XPS功能功能北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） 8.2 外表界面元素及化合物測定 C1sO1sFe2p金屬鐵金屬鐵8. XPS運用運用Fe3O4北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） 8. XPS運用運用8.2 外表界面元素及化合物測定 涂層北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分

27、析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） 8. XPS運用運用8.2 外表界面元素及化合物測定 涂層北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） 8. XPS運用運用8.2 外表界面元素及化合物測定 北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） 8. XPS運用運用8.2 外表元素及化合物測定 運用于：運用于： 資料改性資料改性 外表工程外表工程 腐蝕與防護腐蝕與防護 涂層涂層 催化劑組成催化劑組成 微電子和半導體資料外表成份和污染微電子

28、和半導體資料外表成份和污染 ￥%#%#* *&* *北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） 8. X射線光譜儀功能射線光譜儀功能8.3 外表元素化學態(tài)測定 323/222CoO MoOMgO Al OCOH OHCO北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） 8. X射線光譜儀功能射線光譜儀功能8.3 外表元素化學態(tài)測定 北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） 8. XPS運用

29、運用8.3 外表元素化學態(tài)測定 化學態(tài)不化學態(tài)不僅僅是價僅僅是價態(tài)哦態(tài)哦北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） 8. XPS運用運用運用于：運用于： 催化劑活性成份、組分間相互作用機催化劑活性成份、組分間相互作用機理、失效機理；理、失效機理； 外表反響，外表改性；外表反響，外表改性； 外表工程外表工程 腐蝕與防護腐蝕與防護 c_#%$,?/_ c_#%$,?/_8.3 外表元素化學態(tài)測定 北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） 8. XPS運用運用8.

30、4 外表修飾和改性 XPS survey scan spectra: a. pristine MWCNTs, b. oxidized MWCNTs, c. DEA-functionalized MWCNTs d, purified-MWCNTs treated by DEACNTCNT外表修飾外表修飾北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） C1s scan spectra: a. pristine MWCNTs, b. oxidized MWCNTs, c. DEA-functionalized MWCNTs d, pur

31、ified-MWCNTs treated by DEA 8. XPS運用運用8.4 外表修飾和改性 COOHCOOHNHCONH2+北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） 心臟瓣膜用肝磷酯處置 8. XPS運用運用8.4 外表修飾和改性 北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） 心臟瓣膜用肝磷酯處置 8. XPS運用運用8.4 外表修飾和改性 北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS）

32、8. XPS運用運用運用于：運用于： 生物資料；生物資料； 填料；填料； 納米器件；納米器件； c+ c+* *_#%$._#%$. ，北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） 8. XPS運用運用8.5 元素及化合物外表分布覆蓋 聚酯覆膜紙張北京化工大學大型精密儀器講座 北京化工大學分析測試中心電話射線光電子能譜（XPS） 8. XPS運用運用8.6 深度分析 0.00E+002.00E+034.00E+036.00E+038.00E+031.00E+041.20E+041.40E+041.60E+041.80E+0422222322422522622722822