X射線光電子能譜分析顏旭課件

只做學(xué)術(shù)交流之用，請勿做商業(yè)用途，轉(zhuǎn)載請說明出處！X射線光電子能譜分析X射線光電子能譜法(X-rayPhotoelectronSpectrum)在表面分析領(lǐng)域中是一種嶄新的方法。雖然用X射線照射固體材料并測量由此引起的電子動能的分布早在本世紀初就有報道，但當(dāng)時可達到的分辯率還不足以觀測到光電子能譜上的實際光峰。直到1958年，以Siegbahn為首的一個瑞典研究小組首次觀測到光峰現(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)此方法可以用來研究元素的種類及其化學(xué)狀態(tài)，故而取名“化學(xué)分析光電子能譜（ElectronSpectroscopyforChemicalAnalysis-ESCA）。目前XPS和ESCA已公認為是同義詞而不再加以區(qū)別.XPS的主要特點(1)可以分析除H和He以外的所有元素，對所有元素的靈敏度具有相同的數(shù)量級．(2)相鄰元素的同種能級的譜線相隔較遠，相互干擾較少，元素定性的標識性強．(3)能夠觀測化學(xué)位移?；瘜W(xué)位移同原子氧化態(tài)、原子電荷和官能團有關(guān)?；瘜W(xué)位移信息是XPS用作結(jié)構(gòu)分析和化學(xué)鍵研究的基礎(chǔ)．基本原理

用X射線照射固體時，由于光電效應(yīng)，原子的某一能級的電子被擊出物體之外，此電子稱為光電子。如果X射線光子的能量為，電子在該能級上的結(jié)合能為，射出固體后的動能為，則它們之間的關(guān)系為：式中Ws為功函數(shù)，它表示固體中的束縛電子除克服各別原子核對它的吸引外，還必須克服整個晶體對它的吸引才能逸出樣品表面，即電子逸出表面所做的功。上式可另表示為：可見，當(dāng)入射X射線能量一定后，若測出功函數(shù)和電子的動能，即可求出電子的結(jié)合能。由于只有表面處的光電子才能從固體中逸出，因而測得的電子結(jié)合能必然反應(yīng)了表面化學(xué)成份的情況。這正是光電子能譜儀的基本測試原理。

應(yīng)用簡介

XPS電子能譜曲線的橫坐標是電子結(jié)合能，縱坐標是光電子的測量強度（如左圖所示）。可以根據(jù)XPS電子結(jié)合能標準手冊對被分析元素進行鑒定。例如Al2O3中的3價鋁與純鋁（0價）的電子結(jié)合能存在大約3電子伏特的化學(xué)位移，而氧化銅(CuO)與氧化亞銅(Cu2O)存在大約1.6電子伏特的化學(xué)位移。這樣就可以通過化學(xué)位移的測量確定元素的化合狀態(tài)，從而更好地研究表面成份的變化情況。

氧化銅與氧化亞銅的XPS譜圖反映出二者間的化學(xué)位移儀器組成及結(jié)構(gòu)一臺XPS能譜儀包括三部分：電子的產(chǎn)生、電子能量分沂和電子的探測．這三部分都必須在高真空條件下工作。此掃描電壓同時輸送到X-Y記錄儀x鈾驅(qū)動器上。這樣，在X-Y記錄儀上就得到y(tǒng)軸表示強度、x軸表示能量的電子能譜。主要部件的原理、結(jié)構(gòu)和性能X射線源主要由燈絲和陽極靶構(gòu)成，在燈絲和陽極靶之間加一個柵極使電子束偏轉(zhuǎn)聚焦。由燈絲發(fā)射出的電子被高壓電場加速打到陽極靶上，電子和靶中原子發(fā)生碰撞．只耍電子能量大到一定數(shù)值，就可把原子的內(nèi)層電子打出去形成空穴，當(dāng)內(nèi)層電子被打出后，其空穴可以被外層中任一電子所填補而發(fā)射X射線，從而產(chǎn)生一系列的譜線．在x射線光電子能譜中，常用Mg和AI作陽極靶．Mg的Ka雙線的能量是1254eV，譜線的自然寬度約為0.7ev。A1的Ka雙線的能量是1437ev，線寬約為0.9ev。X射線的自然寬度對譜儀的分辨率影響很大。為了提高儀器的分辨率可使X射線單色化半球形分析器半球形分析器設(shè)內(nèi)球面半徑為，外球面半徑為，則平均半徑。如果內(nèi)、外球面之間的電位差為，那么動能為的電子沿著半球分析器中心軌道()運動的條件由下式?jīng)Q定

從上式可知，只要準確知道譜峰對應(yīng)的內(nèi)外球面電位差(V)，就能確定所測電子的動能()值．實驗中連續(xù)或步進地改變內(nèi)外球面之間的電位差值(即在內(nèi)外球之間加一個掃描電壓)，使不同動能的電于依次沿著中心軌道通過，記錄每一種動能的電子數(shù)，就得到了以電子能量為x軸，電子計數(shù)率為y軸的電子能譜圖。真空系統(tǒng)

電子能譜儀的光源、樣品室、分析器和檢測器都必朗在高真空條件下工作．這是為了減少電子在運動過程中同殘留氣體分子發(fā)生碰撞而損失信號強度。另一方面，殘留氣體會吸附到樣品表面上，甚至有可能和樣品起化學(xué)反應(yīng)，這將影響電子從樣品表面上發(fā)射并產(chǎn)生外來干擾譜線。所需的真空度：Pa靈敏度和分辨率分辨率的定義代表半高寬指譜峰寬度靈敏度(s)：靈敏度即譜峰的強度，通常用每秒的脈沖數(shù)來表示．XPS分析法的靈敏度也分為絕對靈敏度和相對靈敏度。(i)絕對靈敏度絕對靈敏度是指XPS方法的最小檢測量，以克表示，據(jù)估算，XPS的絕對靈敏度可達10E-10g。(ii)相對靈敏度相對靈敏度是格XPS方法的最低檢測濃度，即從多組分樣品中檢測出某種元素的最小比例，以百分濃度(%)或ppm表示。

與其它分析方法相比(見附表)XPS的絕對靈敏度之高(10E-18)，所提供的有關(guān)化學(xué)鍵方面