XPS原理及使用分析課件

X射線光電子能譜分析XPS1整理版課件XPS—X-raysPhotoelectronSpectroscopyESCA—ElectronSpectroscopyforChemicalAnalysis2整理版課件1.X射線光電子能譜儀發(fā)展歷史愛因斯坦：光電效應50年代，K.Siegbahn研制成功XPS譜儀60年代，發(fā)展成為商用儀器主要：PHI公司，VG公司，Karatos公司發(fā)展方向：單色化，小面積，成像XPS一、概述3整理版課件2.儀器功能與特點：（1）定性分析--根據(jù)測得的光電子動能可以確定表面存在哪些元素。靈敏度約0.1at%。（2）定量分析--根據(jù)具有某種能量的光電子的強度可知某種元素在表面的含量。誤差約20%。（3）根據(jù)某元素光電子動能的位移可了解該元素所處的化學狀態(tài)，有很強的化學狀態(tài)分析功能。（4）由于只有距離表面幾個納米范圍的光電子可逸出表面，因此信息反映材料表面幾個納米厚度層的狀態(tài)。（5）結(jié)合離子濺射可以進行深度分析。（6）對材料無破壞性。（7）由于X射線不易聚焦,照射面積大,不適于微區(qū)分析。一、概述4整理版課件1.XPS的產(chǎn)生當單色的X射線照射樣品,具有一定能量的入射光子同樣品原子相互作用：（1）光致電離產(chǎn)生光電子；（2）電子從產(chǎn)生之處遷移到表面；（3）電子克服逸出功而發(fā)射。

用能量分析器分析光電子的動能,得到的就是X射線光電子能譜。二、XPS的測量原理5整理版課件2.能量關系6整理版課件能量關系：Hν=Eb+Φs+Ek’+ErEb-電子結(jié)合能（以費米能級為零點）Φs-樣品材料的功函數(shù)Ek’-電子剛逸出表面時具有的動能Er–出射電子的反沖能由于樣品與能譜儀接觸，產(chǎn)生接觸電勢差，而在樣品表面與能譜儀之間產(chǎn)生電場，使光電子射出后在此電場中加速或減速，動能發(fā)生改變，測量到的動能與原始能量不一致。平衡時，有關系Ek=Ek’-(Φsp-Φs)因此可得（忽略反沖能）Hν=Eb+Φsp+Ek或Ek=hν–Eb–Φsp7整理版課件8整理版課件紫外光電子能譜分析

UPS—Ultra-violetphotoelectronSpectroscopyXPS分析使用的光源陽極是Mg或Al，其能量分別是1487和1254eV。UPS的光源為氦放電燈，能量為21.2或40.8eV，其能量只能夠激發(fā)出價帶電子，因此主要用于價帶分析。9整理版課件3.深度剖面分析用離子束濺射剝蝕表面,用X射線光電子譜進行分析,兩者交替進行,可以得到元素及其化學狀態(tài)的深度分布。10整理版課件4.光電子能量損失機制光電子在射出表面的同時，可能激發(fā)固體中某些過程從而自身能量發(fā)生損失：（1）聲子激發(fā)或點陣振動能量為幾十meV，只能在高分辨譜中觀察到。（2）等離子激發(fā)（3）各種單、雙粒子激發(fā)11整理版課件XPS能譜儀的構(gòu)成主要：超高真空系統(tǒng)；X射線源；能量分析系統(tǒng)電子控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)X射線光電子能譜儀結(jié)構(gòu)框圖

三、儀器結(jié)構(gòu)12整理版課件13整理版課件14整理版課件1.X射線源X射線的產(chǎn)生X射線源的結(jié)構(gòu)X射線的單色化X射線的聚焦和掃描15整理版課件Mg/Al雙陽極X射線源能量范圍適中（Mg：1253.7，Al：1486.7eV）X射線的能量范圍窄（0.7和0.85eV）能激發(fā)幾乎所有的元素產(chǎn)生光電子；靶材穩(wěn)定，容易保存以及具有較高的壽命16整理版課件X射線的產(chǎn)生：陰極發(fā)射電子，直流高壓電場對電子加速，高速碰撞陽極，產(chǎn)生特征X射線17整理版課件其中，ΔEx—X射線半寬度

ΔEe—光電子自然能量分布，與樣品材料有關（不確定關系）

ΔEs—固態(tài)寬化效應，激發(fā)光電子時產(chǎn)生晶格振動，即聲

子對譜的影響

ΔEsp—譜儀的固有分辨率

提高分辨率主要辦法是減小X射線寬度，即提高單色性。要求X射線的自然線寬小，分辨率才高測得光電子能譜的半寬度為18整理版課件2dsinθ=nλ19整理版課件20整理版課件21整理版課件2.電子能量分析器3.超高真空系統(tǒng)4.控制電路5.樣品臺22整理版課件6.樣品準備樣品尺寸不宜過大，一般應不大于10x10x1mm；樣品表面應大體上平整；樣品最好能夠?qū)щ姡槐砻鎽髅撝幚?，絕對避免用手觸摸；原始表面應盡可能盡快測試，避免長時間在空氣中存放；粉末樣品可以壓成塊狀，或撒布在膠帶上；也可以將粉末溶解在適當溶劑中做成溶液，屠宰樣品臺上，再使溶劑揮發(fā)即成樣品；氣體、液體樣品多用冷卻法令其凝固。23整理版課件四、譜圖分析定性分析定量分析深度分析化學狀態(tài)分析24整理版課件1.XPS定性分析是高純Al基片上沉積的Ti(CN)x薄膜的XPS譜圖，激發(fā)源為MgK

譜圖解析標志介紹元素鑒別25整理版課件消除電荷效應光電子被激發(fā)出以后，非導電樣品上會逐漸積累正電荷，導致測量的光電子動能減小，表觀結(jié)合能正移，從而影響分析結(jié)果。辦法：（1）電子槍發(fā)射電子中和；（2）樣品表面鍍金，厚度〈1nm；（3）在導電樣品托上制備超薄樣品；（4）外標法：樣品上C1s的結(jié)合能為284.8eV。26整理版課件能量定標（1）利用已知特征譜：C1s-284.3eV（2）利用兩條譜線，如：Cu2p3/2-932.8eV，Cu3s-122.9eVAu4f7/2-83.8eV，Cu2p3/2-932.8eV（3）已知能量的兩種光子激發(fā)同一樣品的某一能級，則兩次測量的能量差即為光子能量差。Mg與Al陽極的能量差是233.01eV。不同實驗室測量的結(jié)合能值可能相差達1eV。27整理版課件2.定量分析與俄歇電子能譜分析相同,使用相對靈敏度因子法.誤差~20%.譜峰強度按峰面積計.28整理版課件XPS的譜峰往往比較