X射線光電子能譜(XPS)基本原理及應(yīng)用

1、X射線光電子能譜（XPS)的基本原理及應(yīng)用西北有色金屬研究院主要內(nèi)容一. 引言二. XPS的基本原理三. XPS的應(yīng)用一、引言hX射線光電子能譜（XPS)e-Auger電子能譜(AES)h紫外光電子能譜(UPS)電子能譜：是最常用的一種表面分析技術(shù)，多種表面分析技術(shù)集合的總稱，測(cè)量樣品中發(fā)射電子的動(dòng)能，分析電子結(jié)合能，主要包括XPS,AES和UPS。電子能譜公司：Thermo Fisher 型號(hào)：ESCALAB 250XiXPS-AES聯(lián)用儀歷史上與XPS相關(guān)的幾件大事X射線是由德國(guó)物理學(xué)家倫琴（Wilhelm Conrad Rntgen，l845-1923）于1895年發(fā)現(xiàn)的，他由此獲得了1

2、901年首屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。赫茲于1887年發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)，愛因斯坦于1905年用光量子理論解釋了光電效應(yīng)，愛因斯坦由于這方面的工作被授予1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；XPS是由瑞典Uppsala大學(xué)的K. Siegbahn及其同事于60年代中期研制開發(fā)出的一種新型表面分析儀器和方法。鑒于K. Siegbahn教授對(duì)發(fā)展XPS領(lǐng)域做出的重大貢獻(xiàn)，他被授予1981年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 The Nobel Prize in Physics 1981: K M Siegbahn-for his contribution to the development of HR electron spectrosc

3、opy; N Bloembergen and A L Schawlow-for their contribution to the development of laser spectroscopy.二、XPS基本原理hvEbErEk內(nèi)電子層價(jià)帶費(fèi)米能級(jí)真空能級(jí)EvacEFs內(nèi)層電子吸收光子，逃逸出樣品表面，成為光電子，根據(jù)能量守恒：hv=Eb+s+Ek+Er其中hv為X射線能量Eb為電子結(jié)合能s為樣品功函數(shù)Ek為光電子動(dòng)能Er為反沖能（很小，可以忽略）Eb= hv -s- Ek一個(gè)重要概念：費(fèi)米能級(jí)f(E)EEF表示費(fèi)米能級(jí)，f(E)表示能級(jí)E上電子的占據(jù)幾率。絕對(duì)零度下，電子占據(jù)的最高能級(jí)

4、就是費(fèi)米能級(jí)。費(fèi)米能級(jí)的物理意義是，該能級(jí)上的一個(gè)狀態(tài)被電子占據(jù)的幾率是1/2。費(fèi)米面 水面？真空能級(jí)真空能級(jí)樣品hv內(nèi)層電子EFEFEb儀器樣儀EkEk樣品與儀器良好電接觸，費(fèi)米面拉平樣+Ek=儀+Ek”Eb=hv-樣-Ek =hv-儀-Ek”hv是X射線能量，儀是儀器功函數(shù)，Ek”是光電子動(dòng)能。Eb= hv -s- Ek結(jié)合能Eb的測(cè)量XPS表示方法2p3/22p1/24f5/24f7/23d5/23d3/2元素鑒別XPS測(cè)量的是元素內(nèi)層電子的結(jié)合能Eb，Eb在一個(gè)比較窄的范圍內(nèi)基本上是一個(gè)常數(shù)，每種元素都有自己一套特征的結(jié)合能，可以鑒別元素（除H和He外）?；瘜W(xué)價(jià)（化學(xué)態(tài)）判斷原子因所處

5、化學(xué)環(huán)境不同而引起內(nèi)殼層電子結(jié)合能發(fā)生變化，即化學(xué)位移，根據(jù)化學(xué)位移可以判定元素的化學(xué)價(jià)或化學(xué)態(tài)。三氟醋酸乙酯中C1s軌道電子結(jié)合能位移.定量分析定量分析：靈敏度因子法，XPS的分析深度XPS是一種表面分析技術(shù)，分析深度約為幾個(gè)納米，約10個(gè)原子層的厚度。實(shí)際上X射線的穿透深度約為1um，但只有無能量損失逃逸出樣品的光電子才是有用信號(hào)。金屬0.52nm氧化物24nm有機(jī)物和聚合物410nm為光電子非彈性碰撞自由程d為光電子產(chǎn)生的深度95%的信號(hào)來自于3之內(nèi)，3信息深度。另一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式：三、XPS應(yīng)用 XPS可以告訴我們:材料中有什么元素（研究未知材料）這些元素處于什么化學(xué)態(tài)每種元素含量是多少在

6、二維面內(nèi)這些元素的分布或者價(jià)態(tài)分布如何，是否均勻（缺陷分析，表面處理技術(shù)）這些元素的分布隨著三維的深度方向是怎么分布的（研究界面材料）Name Peak BEHeight CPSFWHM eVArea (P) CPS.eVAt. % Ni2p852.46722512552.261754775085.1W4f32.444112808.34.62593473.24.68O1s530.40382960.743.68330992.210.22NiW合金1.樣品表面的元素組成BSCCO膜（超導(dǎo)材料）2.元素化合價(jià)及化學(xué)態(tài)的確定俄歇參數(shù)：俄歇電子動(dòng)能與光電子動(dòng)能差（加X射線能量）。有機(jī)物分子XPS可對(duì)元素

7、及其化學(xué)態(tài)進(jìn)行成像，繪出不同化學(xué)態(tài)的不同元素在表面的分布圖像。3.成像XPS（XPS image)4.深度剖析（depth profile)Ar離子剝離深度分析方法是一種使用最廣泛的深度剖析的方法，其分析原理是先Ar離子把表面一定厚度的元素濺射掉，然后再用XPS分析剝離后的表面元素含量，這樣就可以獲得元素沿樣品深度方向的分布。優(yōu)點(diǎn):可以分析表面層較厚的體系，深度分析的速度較快。缺點(diǎn)：一種破壞性分析方法，會(huì)引起樣品表面晶格的損傷，擇優(yōu)濺射和表面原子混合等現(xiàn)象。Cr/Te界面處元素的互擴(kuò)散情況。突變界面，擴(kuò)散很少。Te3d5/2Cr2p3/2刻蝕5s/層界面間物質(zhì)的互擴(kuò)散Au/Cr界面處元素的互擴(kuò)散情況?；U(kuò)散很嚴(yán)重，漸變界面，界面層很厚。Au/Cr界面處元素的互擴(kuò)散情況?；U(kuò)散很嚴(yán)重，漸變界面，界面層很厚。Si基底上的N