XPS檢測分析方法.ppt

X射線光電子能譜 ( X-ray Photoelectron Spectroscopy ),XPS 的發(fā)展 基本概念 XPS 的工作流程及原理 利用XPS譜圖鑒別物質(zhì) XPS的實驗方法 XPS譜圖的解釋步驟 XPS 的特點,主要內(nèi)容：,XPS 的發(fā)展：,XPS理論首先是由瑞典皇家科學(xué)院院士、烏普薩拉大學(xué)物理研究所所長 KSiebahn 教授創(chuàng)立的。 原名為化學(xué)分析電子能譜: ESCA(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis)。 1954年研制成世界上第一臺雙聚焦磁場式光電子能譜儀。 XPS是一種對固體表面進(jìn)行定性、定量分析和結(jié)構(gòu)鑒定的實用性很強(qiáng)的表面分析方法。,基本概念：,光電子能譜: 反應(yīng)了原子（或離子）在入射粒子（一般為X-ray）作用下發(fā)射出來的電子的能量、強(qiáng)度、角分布等信息。 X-ray: 原子外層電子從L層躍遷到K層產(chǎn)生的射線。 常見的X射線激發(fā)源有： Mg :Ka1,2(1254ev,線寬0.7ev ) Al :Ka1,2(1487ev ,線寬0.9ev ) Cu :Ka1,2(8048ev,線寬2.5ev ) Ti :Ka1,2(4511ev,線寬1.4ev ) 電子結(jié)合能：由光電過程的Einstein方程： h=Eb+1/2mv2 ，求出 ：Eb= h-Ek。,XPS 的工作流程：,光 源(X-ray),過濾窗,樣品室,能量分析器,檢測器,掃描和記錄系統(tǒng),光電發(fā)射定律,h = EB+ EK 即光子的能量轉(zhuǎn)化為電子的動能EK并克服原子核對核外電子的束縛EB EB=h - EK,1）對氣態(tài)原子或分子 h= EBv +EKv 2）對固體樣品（必須考慮晶體勢場和表面勢場對光電子的束縛作用以及樣品導(dǎo)電特性所引起的附加項） h= EBF+ EKF +S EBF:電子結(jié)合能，電子脫離原子核及其它電子作用所需的能量 S：逸出功（功函數(shù)），電子克服晶格內(nèi)周邊原子作用變成自由電子做需的能量。 Ek ：自由電子動能。,光電發(fā)射定律,俄歇電子(Auger electron):當(dāng)原子內(nèi)層電子光致電離而射出后，內(nèi)層留下空穴，原子處于激發(fā)態(tài)，這種激發(fā)態(tài)離子要向低能態(tài)轉(zhuǎn)化而發(fā)生弛豫，其方式可以通過輻射躍遷釋放能量，波長在X射線區(qū)稱為X射線熒光；或者通過非輻射躍遷使另一電子激發(fā)成自由電子，這種電子就稱為俄歇電子。對其進(jìn)行分析能得到樣品原子種類方面的信息。 其過程為：,（原子序數(shù)Z30的元素以發(fā)射俄歇電子為主）,俄歇電子產(chǎn)生過程圖解：,hv(X-ray熒光),俄歇電子e-,處于激發(fā)態(tài)離子 產(chǎn)生X-ray熒光過程,處于激發(fā)態(tài)離子 產(chǎn)生俄歇電子的過程,XPS 的工作原理：,光電子產(chǎn)生過程：,利用XPS譜圖鑒定物質(zhì)成分：,利用某元素原子中電子的特征結(jié)合能來鑒別物質(zhì)。 自旋-軌道偶合引起的能級分裂，譜線分裂成雙線（強(qiáng)度比），特別對于微量元素： 對于P1/2和P3/2的相對強(qiáng)度為1:2，d3/2和d5/2為2:3，f5/2和f7/2為3:4；下圖是Si的2P電子產(chǎn)生的分裂峰(1:2): 利用俄歇化學(xué)位移標(biāo) 識譜圖鑒定物質(zhì)： 如：Cu與CuO的化學(xué)位移為0.4eV Ag與Ag2SO4化學(xué)位移為0.1eV 而對它們來說俄歇化學(xué)位移相當(dāng)大。,2P1/2,2P3/2,105,95,電子結(jié)合能（eV）,Si 2p,XPS的實驗方法：,樣品的預(yù)處理 ：（對固體樣品） 1.溶劑清洗（萃?。┗蜷L時間抽真空除表面污染物。 2.氬離子刻蝕除表面污物。注意刻蝕可能會引起表面化學(xué)性質(zhì)的變化（如氧化還原反應(yīng)）。 3.擦磨、刮剝和研磨。對表理成分相同的樣品可用SiC(600#)砂紙擦磨或小刀刮剝表面污層；對粉末樣品可采用研磨的方法。 4.真空加熱。對于能耐高溫的樣品，可采用高真空下加熱的辦法除去樣品表面吸附物。,樣品的安裝： 一般是把粉末樣品粘在雙面膠帶上或壓入銦箔（或金屬網(wǎng)）內(nèi)，塊狀樣品可直接夾在樣品托上或用導(dǎo)電膠帶粘在樣品托上進(jìn)行測定。 其它方法： 1.壓片法：對疏松軟散的樣品可用此法。 2.溶解法：將樣品溶解于易揮發(fā)的有機(jī)溶劑中，然后將其滴在樣品托上讓其晾干或吹干后再進(jìn)行測量。 3.研壓法：對不易溶于具有揮發(fā)性有機(jī)溶劑的樣品，可將其少量研壓在金箔上，使其成一薄層，再進(jìn)行測量。,樣品荷電的校正： (絕緣體的荷電效應(yīng)是影響結(jié)果的一個重要因素) 1.消除法： 用電子中和槍是目前減少荷電效應(yīng)的最好方法；另一種方法是，在導(dǎo)電樣品托上制備超薄樣品，使譜儀和樣品托達(dá)到良好的電接觸狀態(tài)。 2.校正法： 主要有以下幾種方法： a.鍍金法；b.外標(biāo)法； c.內(nèi)標(biāo)法；d.二次內(nèi)標(biāo)法； e.混合法；f.氬注入法。,XPS譜圖的解釋步驟：,在XPS譜圖中首先鑒別出C1s、O1s、C(KLL) 和O(KLL)的譜峰（通常比較明顯）。 鑒別各種伴線所引起的伴峰。 先確定最強(qiáng)或較強(qiáng)的光電子峰（或俄歇電子峰），再鑒定弱的譜線。 辨認(rèn)p、d、f自旋雙重線，核對所得結(jié)論。,XPS 的特點：,可以分析除H和He以外的所有元素。 相鄰元素的同種能級的譜線相隔較遠(yuǎn)，相互干擾較少，元素定性的標(biāo)識性強(qiáng)。 能夠觀測化學(xué)位移，化學(xué)位移同原子氧化態(tài)、原子電荷和官能團(tuán)有關(guān)。化學(xué)位移信息是利用XPS進(jìn)行原子結(jié)構(gòu)分析和化學(xué)鍵