xps原理及應用

XPS物理原理和應用,什么是“X射線光電子能譜（XPS）”XPS中涉及的物理學原理XPS的特點及實驗方法XPS光譜圖,主要內容,1.什么是“X射線光電子能譜”,X射線光電子能譜（XPS，全稱為X-rayPhotoelectronSpectroscopy）是一種基于光電效應的電子能譜，它是利用X射線光子激發(fā)出物質表面原子的內層電子，通過對這些電子進行能量分析而獲得的一種能譜。這種能譜最初是被用來進行化學分析，因此它還有一個名稱，即化學分析電子能譜（ESCA，全稱為ElectronSpectroscopyforChemicalAnalysis）,1.1XPS的定義,1.2XPS的發(fā)展,X射線是由德國物理學家倫琴（WilhelmConradRntgen，l845-1923）于1895年發(fā)現的，他由此獲得了1901年首屆諾貝爾物理學獎。XPS現象基于愛因斯坦于1905年揭示的光電效應，愛因斯坦由于這方面的工作被授予1921年諾貝爾物理學獎；XPS是由瑞典Uppsala大學的K.Siegbahn及其同事歷經近20年的潛心研究于60年代中期研制開發(fā)出的一種新型表面分析儀器和方法。鑒于K.Siegbahn教授對發(fā)展XPS領域做出的重大貢獻，他被授予1981年諾貝爾物理學獎；,2.XPS中涉及的物理學原理,2.1X射線物理,X射線起源于軔致輻射，可被認為是光電效應的逆過程，即：電子損失動能產生光子(X射線),因為原子的質量至少是電子質量的2000倍，我們可以把反沖原子的能量忽略不計。,2.2光電效應,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）光致電離產生光電子；（2）電子從產生之處遷移到表面；（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。,2.3XPS的工作流程：,光電子產生過程：,2.4XPS的工作原理：,兩者只能選擇其一,3.1XPS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，相互干擾較少，元素定性的標識性強。能夠觀測化學位移，化學位移同原子氧化態(tài)、原子電荷和官能團有關?；瘜W位移信息是利用XPS進行原子結構分析和化學鍵研究的基礎。可作定量分析，即可測定元素的相對濃度，又可測定相同元素的不同氧化態(tài)的相對濃度。是一種高靈敏超微量表面分析技術，樣品分析的深度約為20A，信號來自表面幾個原子層，樣品量可少至10-8g，絕對靈敏度高達10-18g。,3.XPS的特點及實驗方法,3.2XPS的實驗方法,樣品的預處理：（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性質的變化（如氧化還原反應）。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）內，塊狀樣品可直接夾在樣品托上或用導電膠帶粘在樣品托上進行測定。,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)的有機溶劑中，然后將其滴在樣品托上讓其晾干或吹干后再進行測量。3.研壓法：對不易溶于具有揮發(fā)性有機溶劑的樣品，可將其少量研壓在金箔上，使其成一薄層，再進行測量。樣品荷電的校正：(絕緣體的荷電效應是影響結果的一個重要因素)1.消除法：用電子中和槍是目前減少荷電效應的最好方法；另一種方法是，在導電樣品托上制備超薄樣品，使譜儀和樣品托達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.外標法；c.內標法；d.二次內標法；e.混合法；f.氬注入法。,4.XPS光譜圖,4.1典型譜圖橫坐標：電子束縛能(能直接反映電子殼層/能級結構)或動能；eV縱坐標：cps（Countspersecond），相對光電子流強度譜峰直接代表原子軌道的結合能,本征信號不強的XPS譜圖中，往往有明顯“噪音”不完全是儀器導致可能是信噪比太低，即待測元素含量太少增加掃描次數、延長掃描時間可降低噪音,4.2XPS光電子線及伴線,A、光電子線最強的光電子線常常是譜圖中強度最大、峰寬最小、對稱性最好的譜峰，稱為xps的主線。每一種元素都有自己最強的、具有表征作用的光電子線，它是元素定性分析的主要依據。,Ti及TiO2中2p3/2峰的峰位及2p1/2和2p3/2之間的距離,B、俄歇線原子中的一個內層電子光致電離射出后，內層留下一空穴，原子處于激發(fā)態(tài)。激發(fā)態(tài)離子要向低能轉化而發(fā)生馳豫；馳豫通過輻射躍遷釋放能量。,OKLL、CKLLKLL:左邊代表起始空穴的電子層，中間代表填補起始空穴的電子所屬的電子層，右邊代表發(fā)射俄歇電子的電子層,C、XPS衛(wèi)星線用來照射樣品的單色x射線并非單色，常規(guī)Al/MgKa1,2射線里混雜Ka3,4,5,6和Kb射線，它們分別是陽極材料原子中的L2和L3能級上的6個狀態(tài)不同的電子和M能級的電子躍遷到K層上產生的熒光x射線效應。這些射線統稱XPS衛(wèi)星線。,MgKa射線的衛(wèi)星峰,D、能量損失線光電子能量損失譜線是由于光電子在穿過樣品表面時發(fā)生非彈性碰撞，能量損失后在譜圖上出現的伴峰特征能量損失的大小與樣品有關；能量損失峰的強度取決于：樣品特性、穿過樣品的電子動能,E、電子的振激（Shakeup）線和振離線（Shakeoff）在光電發(fā)射中，由于內殼層形成空位，原子中心電位發(fā)生突變引起價殼層電子的躍遷，出現兩個結