《電子能譜及其應(yīng)用》Electron Spectroscopy and Applications 思考題

1、電子能譜思考題最常用的表面分析技術(shù)有哪些? 它們各自可測的元素有哪些？它們可獲得哪 些表面信息？它們各有何優(yōu)點？XPS、AES和SIMS是目前廣泛使用的三種最常用的表面分析技術(shù)。XPS和AES 可檢測原子序數(shù)2的所有元素；而SIMS可檢測所有的元素。XPS主要獲取表 面元素和化學(xué)鍵信息，此外還可得到元素深度分布和價帶結(jié)構(gòu)等信息； AES 主 要獲取表面元素信息，此外還可得到元素深度分布和表面成像以及化學(xué)鍵等信息 SIMS 主要獲取表面元素和同位素信息，此外還可得到元素深度分布和表面成像 以及化合物等信息。 XPS 的最大特色在于能獲取豐富的化學(xué)信息，定量分析好， 對樣品表面的損傷最輕微； AE

2、S 的最大特色是空間分辨力非常好，具有很高的 微區(qū)分析能力，可進行表面分布成像。 SIMS 的最大特色是檢測靈敏度非常高， 并可分析H和He以及同位素，可作微區(qū)、微量分析以及有機化學(xué)分析。用電子能譜進行表面分析對樣品有何一般要求？有哪些清潔表面的常用制備 方法？由于電子能譜測量要在超高真空中進行，測量從樣品表面出射的光電子或俄歇電 子。所以對檢測的試樣有一定的要求：即樣品在超高真空下必須穩(wěn)定，無腐蝕性， 無磁性，無揮發(fā)性。另外在樣品的保存和傳送過程中應(yīng)盡量避免樣品表面被污染。 在任何時候，對被分析樣品的表面都應(yīng)盡量少地接觸和處理。常用清潔表面的制備方法有：真空解理、斷裂，稀有氣體離子濺射，真空

3、刮削， 高溫蒸發(fā)，真空制備薄膜等。什么是化學(xué)位移和終態(tài)效應(yīng)？它們有何實際應(yīng)用？原子因所處化學(xué)環(huán)境不同而引起的內(nèi)殼層電子結(jié)合能變化，在譜圖上表現(xiàn)為譜峰 的位移，這種現(xiàn)象稱為化學(xué)位移。所謂某原子所處化學(xué)環(huán)境不同有兩方面的含義： 一是指與它相結(jié)合的元素種類和數(shù)量不同；二是指原子具有不同的價態(tài)。電子的結(jié)合能與體系的終態(tài)密切相關(guān)。由電離過程中引起的各種激發(fā)產(chǎn)生的不同 體系終態(tài)對電子結(jié)合能的影響稱為終態(tài)效應(yīng)。電離過程中除了馳豫現(xiàn)象外，還會 出現(xiàn)諸如多重分裂，電子的震激(Shake up)和震離(Shake off)等激發(fā)狀態(tài)。這些復(fù) 雜現(xiàn)象的出現(xiàn)同體系的電子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，它們在 XPS 譜圖上表現(xiàn)為除正常

4、光 電子主峰外，還會出現(xiàn)若干伴峰?；瘜W(xué)位移和終態(tài)效應(yīng)常用來作元素化學(xué)態(tài)的識別，并可以推知原子結(jié)合狀態(tài)和電 子分布狀態(tài)。此外它們還可以給出某些體系的結(jié)構(gòu)信息。它們可提供材料表面豐 富的物理和化學(xué)信息。在XPS譜圖中可觀察到幾種類型的峰？從XPS譜圖中可得到哪些表面有關(guān)的 物理和化學(xué)信息？在 XPS 譜圖中可觀察到幾種類型的峰。一部分是基本的并總可觀察到，另一些 依賴于樣品的物理和化學(xué)性質(zhì)。i.光電子譜線(photoelectron lines)； ii.俄歇電子 譜線(Auger lines)； iii. X 射線衛(wèi)星峰(X-ray satellites)； iv. X 射線鬼線(X-ray“g

5、hosts )； v.震激譜線(shake-up lines)； vi.多重分裂(multiplet splitting)； vii.能 量損失譜線(energy loss lines)； viii.價電子線和價帶(valence lines and bands)。XPS 主要通過測定內(nèi)殼層電子能級譜的化學(xué)位移可以推知原子結(jié)合狀態(tài)和電子 分布狀態(tài)。 XPS 可提供的信息有樣品的組分、化學(xué)態(tài)、表面吸附、表面態(tài)、表面 價電子結(jié)構(gòu)、原子和分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵合情況等。X射線光電子能譜進行 元素鑒別的依據(jù)是各種元素的光電子峰結(jié)合能具有特征性和唯一性，即具有元素 的“指紋”特征；進行化學(xué)態(tài)識別的主要依

6、據(jù)是化學(xué)位移和各種終態(tài)效應(yīng)以及價 帶譜特征等。用X射線光電子能譜進行元素鑒別時的一般分析步驟有哪些？用 X 射線光電子能譜進行元素鑒別是通過測定譜中不同元素芯光電子峰的結(jié)合 能直接進行的。就一般解析過程而言，我們總是首先鑒別那些總是存在的元素 的譜線，特別是C和0的譜線；其次鑒別樣品中主要元素的強譜線和有關(guān)的 次強譜線；最后鑒別剩余的弱譜線，假設(shè)它們是未知元素的最強譜線；對于 p， d， f 譜線的鑒別應(yīng)注意它們一般應(yīng)為自旋雙線結(jié)構(gòu)，它們應(yīng)有一定的能量間 隔和強度比， p 線的強度比約為 1:2， d 線的強度比約為 2:3， f 線的強度比約為 3:4。俄歇電子能譜的基本原理是什么？俄歇電子

7、的能量主要與哪些因素有關(guān)？俄歇電子能譜(AES )的基本原理是俄歇效應(yīng)。當(dāng)原子的內(nèi)層電子被激發(fā)形成空穴 后，原子處于較高能量的激發(fā)態(tài)，這一狀態(tài)是不穩(wěn)定的，它將自發(fā)躍遷到能量較 低的狀態(tài)(退激發(fā)過程)，其中非輻射退激發(fā)過程通過原子內(nèi)部的轉(zhuǎn)換過程把能 量交給較外層的另一電子，使它克服結(jié)合能而向外發(fā)射(Auger過程)。向外輻射 的電子稱為俄歇電子，其能量僅由相關(guān)能級決定，與原子激發(fā)狀態(tài)的形成原因無 關(guān)。因而它具有指紋特征，可用來鑒定元素種類。俄歇電子能譜有何突出優(yōu)點？它可給出哪些表面的物理和化學(xué)信息？AES 的最大優(yōu)點是優(yōu)異的空間分辨率，具有很高的微區(qū)分析能力，可進行表面 成像，具有高的(亞單層)表面靈敏度，對表面損傷較小。 AES 可給出如下表面特 征：化學(xué)組成，覆蓋度，鍵中的電荷轉(zhuǎn)移，電子態(tài)密度和表面鍵中的電子能級等。 由于電子束可細微聚焦、偏轉(zhuǎn)和掃描，所以還可測出元素在表面的分布 (SAM)。 當(dāng)與離子刻蝕相結(jié)合還可得到元素在深度方向的分布。在某些條件下還可給出元 素在表面的化學(xué)狀態(tài)信息。用AES分析304不銹鋼表面，測得Fe、Cr和Ni的LMM俄歇峰的相對強度 分別為10.1、4.7和1.5，已知其相應(yīng)的相對靈敏度因子分別為0.2、0.29和0.27。 試求表面上Fe、Cr和Ni的百分含量。解：應(yīng)用相對靈敏度因子法，我們可以計算出10.1