X射線光電子能譜(XPS)

X射線光電子能譜〔XPS〕一、X光電子能譜的根本原理二、X光電子能譜儀三、X光電子能譜的測(cè)量和分析光電子的產(chǎn)生—光電效應(yīng)在高真空系統(tǒng)中，將X射線照射在物質(zhì)上，使物質(zhì)原子中不同能級(jí)的電子受到激發(fā)而發(fā)射出來(lái)。光電子發(fā)射過(guò)程光電子的產(chǎn)生〔入射光子與物質(zhì)作用，光致電離產(chǎn)生光電子〕光電子的運(yùn)輸〔光電子自產(chǎn)生處運(yùn)輸?shù)轿镔|(zhì)外表〕光電子的逸出〔克服外表勢(shì)壘而發(fā)射到物質(zhì)外的真空中去〕一、X光電子能譜的根本原理X射線與固體物質(zhì)的相互作用電子能譜分類XPS–X射線光電子能譜X射線激發(fā)內(nèi)殼層上的電子由于內(nèi)殼層電子結(jié)構(gòu)與元素對(duì)應(yīng)，可定性或定量分析樣品外表的成分和結(jié)構(gòu)，還可以研究相應(yīng)元素的化學(xué)鍵狀態(tài)UPS–紫外光電子能譜紫外光子激發(fā)價(jià)帶上的電子研究?jī)r(jià)帶的電子結(jié)構(gòu)及外表分析用于確定材料的功函數(shù)及費(fèi)米能級(jí)的位置AES–俄歇電子能譜可定性或定量分析樣品外表的成分和結(jié)構(gòu)光電子的發(fā)射過(guò)程光電子能譜的標(biāo)識(shí)光電子能譜中譜線的標(biāo)識(shí)采用元素符號(hào)與光電子所在的原能級(jí)符號(hào)：如C1s、Si2p、Au4f7/2在具體分析X光電子能譜時(shí)，重點(diǎn)分析最強(qiáng)的一條譜線符號(hào)KL1L2L3M1M2M3M4M5N1能級(jí)1S2S2P1/22P3/23S3P1/23P3/22D3/23D5/24S符號(hào)N2N3N4N5N6N7O1O2O3O4能級(jí)4P1/24P3/24D3/24D5/24F5/24F7/25S5P1/25P3/25D3/2光電子能譜中的各種能量關(guān)系h=Ek+Eb+…..(1)V=-’…………(2)Ek+=Ek’+’…..(3)h=Ek’+Eb+’…(4)Eb=h-Ek’-’….(5)

’=4ev光電子能譜的形式光電子的產(chǎn)額(強(qiáng)度)隨光電子動(dòng)能的變化關(guān)系強(qiáng)度I與動(dòng)能EK(I~EK)強(qiáng)度I與結(jié)合能Eb(I~Eb)；按掃描能量范圍可分XPS全掃描譜：在儀器掃描能量范圍內(nèi)進(jìn)行收譜，得到所有的譜線；用于樣品定性分析。XPS高分辨譜：在全掃描譜的根底上，對(duì)某一特征譜線展開(kāi)；用于樣品定量分析CN薄膜樣品的XPS全掃描譜CN樣品中C1s的XPS高分辨譜SiC樣品的XPS全掃描譜SiC樣品中C1s和Si2p的XPS高分辨譜二、X光電子能譜儀X光電子能譜儀包括以下幾個(gè)主要局部：超高真空系統(tǒng)〔10-7~10-9Pa〕單色激發(fā)光源〔X光源、紫外光源〕濺射離子槍源(Ar+)或電子源:離子清洗和深度刻蝕樣品室電子能量分析器〔半球分析儀〕信息放大、記錄和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)X射線光電子能譜儀方框圖

1.激發(fā)源:X射線槍(MgK:1253.6eV;AlK:1486.6eV)紫外射線槍(He:21.21和40.8eV;Ne:16.85和26.9eV)電子槍(AES常用電子槍做激發(fā)源〕2.氬離子槍清洗樣品外表：能量幾百eV,離子流密度100A/cm2刻蝕樣品：能量幾千eV,離子流密度0-100A/cm2,進(jìn)行成分深度分析3.樣品室樣品預(yù)處理系統(tǒng)、進(jìn)樣系統(tǒng)、樣品室4.電子能量分析器電子能量分析器是電子能譜儀的核心局部，決定電子能譜的性能指標(biāo)；能量分析器按場(chǎng)的形式分為二種：磁場(chǎng)型：分辨率很高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，磁屏蔽要求嚴(yán)格；目前已很少使用；靜電場(chǎng)型：體積小、外磁場(chǎng)屏蔽簡(jiǎn)單、易于安裝和調(diào)試；常用的靜電場(chǎng)型能量分析器有：半球分析器：多用在XPS、UPS系統(tǒng)筒鏡型分析器：多用在AES系統(tǒng)半球形能量分析系統(tǒng)單糟電子倍增半球能量分析器原理三糟電子倍增半球能量分析器三、X光電子能譜的測(cè)量和分析1.xps譜的測(cè)量?jī)x器型號(hào)：KratosAXIS-HS能量分析器：球形分析器探測(cè)器：三槽電子倍增器激發(fā)源：MgK:1253.6eV,300W,0.12mm0.12mm

幾何參數(shù)入射角65°，源與分析器的夾角65°發(fā)射角0°接受器與分析器夾角0°氬離子槍能量4000eV電流20mA入射角55

°X光電子能譜儀參數(shù)設(shè)定2、XPS譜數(shù)據(jù)分析方法

用Au4f7/2=84.0eV

譜線定標(biāo)

扣除Shirley背底

峰的面積是扣除Shirley背底之后的面積

靈敏因子由標(biāo)準(zhǔn)的Kratos軟件給出。

各組分的原子百分比可用Kratos軟件計(jì)算得到

定性分析過(guò)程外表分析：獲得樣品外表的全掃描譜深度剖析獲得樣品外表的全掃描譜Ar離子濺射樣品，濺射時(shí)間控制濺射深度，〔>2.5nm)收集全譜，如此反復(fù)，得到全譜與濺射時(shí)間的關(guān)系用測(cè)厚儀確定總的濺射深度，由總的濺射時(shí)間獲得平均濺射速率。全譜與深度的關(guān)系標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)1.所有元素各內(nèi)殼電子的結(jié)合能2.同種元素在不同化合物中的結(jié)合能，及各內(nèi)殼層電子結(jié)合能差值定量分析過(guò)程外表分析：獲得樣品外表的全掃描譜獲得各元素的高分辨譜由高分辨譜的面積和散射因子求的各元素的原子百分比或質(zhì)量百分比深度剖析利用離子濺射，獲得不同深度處各元素的高分辨譜由高分辨譜的面積和散射因子求的各元素的原子百分比或質(zhì)量百分比所有測(cè)試和分析都由計(jì)算機(jī)及配套軟件完成CN薄膜樣品的XPS全掃描譜分析器Pass能量80eV,分析器分辨率1.5eV譜收集時(shí)間300s掃描次數(shù)3次C1s的高分辨率XPS譜Pass能量20eV分辨率0.7eV收集時(shí)間1200s掃描次數(shù)10次N1s的高分辨率XPS譜Pass能量20eV分辨率0.7eV收集時(shí)間1200s掃描次數(shù)10次O1s的高分辨率XPS譜Pass能量20eV分辨率0.7eV收集時(shí)間1200s掃描次數(shù)10次CN薄膜各組分的定量分析結(jié)果元素峰位〔eV)半高寬〔eV)面積靈敏因子原子百分比C1s286.13.246830.2549N1s399.53.139690.4246O1s532.13.46260.665CN薄膜結(jié)構(gòu)分析CN薄膜結(jié)構(gòu)分析結(jié)果288.2399.1C1s286.5N1s284.8400.9C1288.2和N1399.1eV-C3N4C2286.5和N2400.9eVCNx

C3284.8eVta-C

不同襯底偏壓下制備的ta-C薄膜的xps譜Vb=-60V的樣品的C1s譜的分解228.40.1eVsp2C285.20.1eVsp3C2.X光電子譜儀的定標(biāo)和校準(zhǔn)

結(jié)合能定標(biāo)通常用Au4f7/2=84.0eV譜線定