X射线能谱、X射线光电子能谱(XPS).doc

X射线能谱、X射线光电子能谱(XPS)X射线能谱、X射线光电子能谱(XPS)X射线能谱、X射线光电子能谱(XPS)X射线能谱、X射线光电子能谱(XPS)在通常的光谱方法中,主要研究光和物质的相互作用后产生的光信息.在电子能谱法中，却采用单色光源（如X射线、紫外光)或电子束去照射样品，使其电子受到激发而发射出来,然后测量这些这些电子的能量关系及其强度的关系，从中获得有关信息。根据激发能源的不同，可以得到不同的电子能谱法.用X射线作为激发源的称X射线光电子能谱法（X-rayphotoctronspectorscopy,XPS）。用紫外光作为激发源的称为紫外光电子能谱法(UVphotoctronspectorscopy,UPS)。若用电子束或X射线作为激发源测量样品激发后产生的俄歇电子，成为俄歇电子能谱法(angerelectronspectroscopy，AES）。近年来，X射线光电子能谱法在化学分析中得到了广泛的应用，因此它又称为化学分析用电子能谱法（electronspectroscopyforchemicalanalysis简称为ESCA）.目前,电子能谱法已在化学、物理、生物等各个领域中得到广泛应用，并逐渐显示出它在表面分析和结构鉴定中的巨大潜力.基本原理：光电效应基本组成:真空室、X射线源、电子能量分析器辅助组成：离子枪主要功能:成分分析、化学态分析采谱方法：全谱、高分辨率谱分析方法：定性分析、定量分析表面组成:包括表面元素组成、化学价态及其在表层的分布等,后者涉及元素在表面的横向及纵向(深度)分布;表面结构包括表面原(分)子排列等;表面电子态包括表面能级性质、表面态密度分布、表面电荷密度分布及能量分布等;表面形貌指“宏观”外形，当分析的分辨率达到原子级时,可观察到原子排列，这时表面形貌分析和表面结构分析之间就没有明确的分界。表面分析技术的特点：是用一个探束(电子、离子、光子或原子等）入射到样品表面,在两者相互作用时,从样品表面发射及散射电子、离子、中性粒子（原子或分子)与光子等。检测这些粒子（电子、离子、光子、中性粒子等)的能量、荷质比、粒子数强度（计数/秒)等,就可以得到样品表面信息.由于涉及到微观粒子的运动,同时为了防止样品表面被周围气氛沾污，应用于表面分析技术的仪器必须具有高真空(≤10—4Ｐａ),有时还必须有超高真空(<10-7Ｐａ)。在表面分析中,常把分析区域的横向线度小于100μｍ量级时，称为微区分析。把物体与真空或气体的界面称为表面,通常研究的是固体表面。表面有时指表面的单原子层，有时指表面的顶部几个原子层.不同表面分析技术的检测(或称取样)深度不同。本章所涉及的表面分析技术特点列于表1Ｘ射线光电子能谱基本原理具有足够能量的入射光子(ｈν）同样品相互作用时,光子把它的全部能量转移给原子、分子或固体的某一束缚电子,使之电离。此时光子的一部分能量用来克服轨道电子结合能（ＥＢ）,余下的能量便成为发射光电子(ｅ-)所具有的动能(ＥＫ）,这就是光电效应。可表示为：Ａ+ｈν→Ａ++ｅ-(1）式中Ａ为光电离前的原子、分子或固体；Ａ+为光致电离后所形成的激发态离子.能量关系:ｈν=ＥＢ+ＥＫ+Ｅr由于原子、分子或固体的静止质量远大于电子的静止质量,故在发射光电子后，原子、分子或固体的反冲能量(Ｅｒ)通常可忽略不计.上述过程满足爱因斯坦能量守恒定律:ｈν=ＥＢ+ＥＫ（2）实际上,内层电子被电离后，造成原来体系的平衡势场的破坏，使形成的离子处于激发态,其余轨道电子结构将重新调整。这种电子结构的重新调整,称为电子弛豫。弛豫结果，使离子回到基态，同时释放出弛豫能（Ｅrel)。此外电离出一个电子后,轨道电子间的相关作用也有所变化,亦即体系的相关能有所变化，事实上还应考虑到相对论效应。由于在常用的ＸＰＳ中，光电子能量≤1ｋｅＶ,所以相对论效应可忽略不计。这样，正确的结合能ＥＢ应表示如下：Ａｉ+ｈν=ＡＦ+ＥＫ(3）所以ＥＢ=ＡＦ-Ａｉ=ｈν-ＥＫ式中Ａｉ为光电离前，被分析（中性)体系的初态；ＡＦ为光电离后，被分析（电离)体系的终态。严格说，体系的光电子结合能应为体系的终态与初态之能量差［1］。对于固体样品,ＥB和Ｅk通常以费密能级ＥＦ为参考能级（对于气体样品，通常以真空能级Ｅｖ为参考能级）。对于固体样品，与谱仪间存在接触电势，因而在实际测试中，涉及谱仪材料的功函数Φsp。当用电子能谱仪测试固体(导体或绝缘体)样品时.只要谱仪材料的表面状态没有多大变化，则Φsp是一个常数。它可用已知结合能的标样（如Ａｕ片等)测定并校准.1.2结合能参照基准在用XPS测定内层电子结合能与理论计算结果进行比较时，必须有一共同的结合能参照基准。对于孤立原子,轨道结合能的定义为把一个电子从轨道移到核势场以外所需的能量，即以“