X射线光电子能谱分析方法及原理XPS.ppt

X—射线光电子能谱( X-ray Photoelectron Spectroscopy )
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XPS 的发展
基本概念
XPS 的工作流程及原理
XPS谱线中伴峰的来源
XPS谱图中伴峰的鉴别
利用XPS谱图鉴别物质
XPS的实验方法
XPS谱图的解释步骤
XPS 的特点
主要内容：
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XPS 的发展：
XPS理论首先是由瑞典皇家科学院院士、乌普萨拉大学物理研究所所长 K·Siebahn 教授创立的。
原名为化学分析电子能谱:
ESCA(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis)。
1954年研制成世界上第一台双聚焦磁场式光电子能谱仪。
XPS是一种对固体表面进行定性、定量分析和结构鉴定的实用性很强的表面分析方法。
现今世界上关于XPS的刊物主要有：
Journal of Electron Spectroscopy.
Related Phenomena.
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基本概念：
光电子能谱: 反应了原子（或离子）在入射粒子（一般为X-ray）作用下发射出来的电子的能量、强度、角分布等信息。
X-ray: 原子外层电子从L层跃迁到K层产生的射线。 常见的X射线激发源有：
Mg :Ka1,2(1254ev, ) Al :Ka1,2(1487ev , )
Cu :Ka1,2(8048ev, ) Ti :Ka1,2(4511ev, )
电子结合能：由光电过程的Einstein方程：
hν=Eb+1/2mv2 ，求出 ：Eb= hν-Ek。
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引入Fermi能级后，光电过程的能量关系如图所示：
由图可知：
Eb=hν - фѕ- Ek’
而 Ek’+ фѕ＝ Ek+ фѕp
知 Eb＝ hν - Ek- фѕp ( фѕp平均值约为4ev)
(其中，Ek’为从样品出射光电子的动能；Ek为谱仪测量到的光电子的动能)
上式即为原子内层电子结合能公式。
样品与谱仪间的接触
电位差ΔV等于样品与
谱仪的功能函数之差：
фѕ-фѕp
（功能函数就是把一个电子从Fermi
能级移到自由能级所需要的能量）
样品
hν
(X-ray)
Eb
自由电子能级
фѕ
Ek’
ΔV
фѕp
导带
价带
Ek
Fermi能级
自由电子能级
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实际测量时，利用标准样品的基准谱线来校正
被测谱线的结合能，称为内标法：
Eb(测)=Ek(标)+Eb(标)-Ek(测)
（其中， Ek(标)和Eb(标)已知， Ek(测)可由谱仪测出）
化学位移:又称结合能位移，原子的内层电子结合能随原子周围化学环境变化的现象称为化学位移。影响化学位移的因素有： (如图所示)。
非导电材料的表面荷电效应；
固体的热效应；
自由分子的压力效应；
凝聚态物质的固态效应.
hν
Eb Eb’
ΔEb
E=0
ΔEk
Ek
Ek’
化学位移为： ΔEb= ΔEk
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光电效应：原子在X-ray的作用下，内层电子得到能量
而发生电离成为自由电子(光电子)的现象。
光电截面σ：表示光离子化几率。与下列因素有关：
；；，同一元素壳层半径愈小σ愈大； 愈大；： σ随角量子数(ι)的增大而增大。
原子能级：与原子中的四个量子数有关,其物理意义为:
； ；；
自旋与轨道偶合产生能级分裂： j=| ι +ms|=| ι ±1/2| ,
在 ι > 0的各亚壳层将分裂成两个能级，XPS中出现双峰。
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XPS 的工作流程：
光 源(X-ray)
过滤窗
样品室
能量分析器
检测器
扫描和记录系统
真空系统
(×10-5—×10-8Pa)
磁屏蔽系统(～1×10-8T)
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