電子能譜XPS實(shí)驗(yàn)報(bào)告

實(shí)驗(yàn)報(bào)告電子能譜實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告一、實(shí)驗(yàn)名稱電子能譜實(shí)驗(yàn)二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）了解X光電子能譜（XPS）測(cè)量原理、儀器工作結(jié)構(gòu)及應(yīng)用；（2）通過對(duì)選定的樣品實(shí)驗(yàn)，初步掌握XPS實(shí)驗(yàn)方法及譜圖分析。三、實(shí)驗(yàn)原理在現(xiàn)代材料分析中，表面問題是材料研究中很重要的部分。尤其是在微型材料、超薄材料、薄膜材料和材料的表面處理等，都離不開表面科學(xué)。而X光電子能譜（簡(jiǎn)稱XPS）則是一項(xiàng)重要的表面分析方法。一定能量的X光作用到樣品上，將樣品表面原子中的不同能級(jí)的電子激發(fā)成為自由電子，這些電子帶有樣品表面信息，具有特征能量，研究這類電子的能量分布，即為X光電子能譜分析。（1）光電發(fā)射在具體介紹XPS原理時(shí)，先介紹光電發(fā)射效應(yīng)。光電發(fā)射是指，在軌道上運(yùn)動(dòng)的電子收到入射的光子的激發(fā)而由發(fā)射出去成為自由電子的過程。對(duì)于固體樣品光電發(fā)射的能量關(guān)系如下：氣=hv-氣，一。（固體）（1）其中氣為相對(duì)于費(fèi)米能級(jí)的結(jié)合能，hv為光子的能量，氣,為光電子的動(dòng)能，氣.為樣品的功函數(shù)。光電發(fā)射示意圖如下：Eb2O2sEbiOls氧的Eb2O2s氧的2s軌道電子發(fā)射示意圖氧的1s軌道電子發(fā)射示意圖原子能級(jí)結(jié)合能E對(duì)于原子來說是特征的，具有特異性，可以用它來標(biāo)識(shí)原子及原子能級(jí)。由樣品發(fā)射的光電子最終將會(huì)被探測(cè)器俘獲，對(duì)于探測(cè)器有如下能量關(guān)系:

Eb=hv-［一。滬（探測(cè)器）（2）式中，4歸為探測(cè)器的功函數(shù)。如下圖所示:XPS測(cè)量原理示意圖（二）化學(xué)位移XPS在進(jìn)行定量分析的時(shí)候，有一項(xiàng)很重要的應(yīng)用就是化學(xué)態(tài)分析，其中包括化學(xué)位移和化學(xué)能移。化學(xué)位移是指由于原子處于不同的化學(xué)環(huán)境而引起的結(jié)合能的位移（AEb）。如化合過程X+Y=X+Y-，X、Y因電子的轉(zhuǎn)移引起結(jié)合能的變化。相應(yīng)的電子能譜也會(huì)發(fā)生改變，通過這種方法，還可以區(qū)別同一類原子處于何種能態(tài)，這為表面分析提供了很大的便利。（三）X光電子能譜儀原理示意圖如下圖所示，由X射線源發(fā)出的X射線入射到樣品表面，激發(fā)出自由光電子。光電子經(jīng)過半球形能量分析器后被探測(cè)器吸收。探測(cè)器將光電子的所攜帶的信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，由示波器收集并在電腦中顯示出來。X光電子能譜儀結(jié)構(gòu)示意圖具體的構(gòu)造方框圖如下:X光電子能譜儀的構(gòu)造方框圖光電發(fā)射過程、能量關(guān)系、化學(xué)位移等。（四）X光電子能譜儀的特點(diǎn)X光電子能譜儀采用的是X光作為入射光源，是一種對(duì)樣品具有非破壞性的分析手段。能進(jìn)行化學(xué)態(tài)分析，并且有明確的化學(xué)位移。同時(shí)，它還具有表面靈敏度高的特點(diǎn)，對(duì)樣品要求不高，有機(jī)物、無機(jī)物，樣品導(dǎo)電、不導(dǎo)電都可以進(jìn)行測(cè)量分析。四、實(shí)驗(yàn)步驟（1）制備樣品并放入靶臺(tái)（實(shí)驗(yàn)采用Al靶，X光能量為1486.6eV）；（2）進(jìn)行寬城掃描；（3）對(duì)特定的能譜區(qū)域進(jìn)行窄程掃描；（4）報(bào)告測(cè)量結(jié)果；（5）標(biāo)定譜峰能量位置，并進(jìn)行元素標(biāo)定。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析（1）譜峰識(shí)別進(jìn)行寬程掃描之后，得到一系列的譜峰。通過查詢Al的1＜以X射線的元素結(jié)合能，可以標(biāo)定各譜峰，見下表。譜峰位置（eV）284.56532.0899.1999.89101.85電子所屬元素及軌道C1sO1sSi2p3Si2p1SiScanB3（2）化合物和含量分析由圖中具體的譜峰面積可以進(jìn)行化合物組分和含量的分析，見下表。元素譜峰面積物質(zhì)狀態(tài)含量總含量C1s76020.32化合態(tài)18.03%—O1s218180.72化合態(tài)51.75%—Si2p357880.19單質(zhì)硅13.73%Si2p129528.52化合態(tài)7.00%30.22%SiScanB339969.70化合態(tài)9.48%由此可知，樣品為單質(zhì)硅，但是表面被污染，污染物有O和C。（3）對(duì)Si的譜峰進(jìn)行了窄程掃描，可以認(rèn)為地進(jìn)行分波。所分波的總數(shù)為四，有峰強(qiáng)高度依次為Si2p3、Si2p1、SiScanB3、背景。六、習(xí)題（1）比較XPS和AES原理和分析方法上主要的特征。答：1.XPS通過X射線照射樣品，將樣品表面原子中不同能級(jí)的電子激發(fā)成自由電子。這些電子帶有樣品表面信息，具有特征能量，并且動(dòng)能與激發(fā)源的能量有關(guān)。而AES的入射源為電子。入射的電子和樣品作用，可以激發(fā)出原子內(nèi)層的電子。外層電子向內(nèi)層躍遷過程中所釋放的能量又使核外另一個(gè)電子激發(fā)成為自由電子，這種自由電子就是俄歇電子。而俄歇電子的能量分布譜即為AES。與XPS的很大不同是，俄歇電子的動(dòng)能與入射源能量無關(guān)。XPS旨在研究這類電子的能量分布，從而進(jìn)行元素種類的標(biāo)定，元素含量的定量測(cè)量，原子化學(xué)態(tài)的分析，并能夠分析表面狀態(tài)和薄膜厚度。AES分為兩種譜一一積分譜和微分譜。與XPS相似，通過對(duì)圖譜進(jìn)行標(biāo)定和定量分析，能夠標(biāo)定元素種類和計(jì)算元素的含量，并且能夠分析化學(xué)態(tài)。另外，XPS和AES所給出的都是樣品表面的二維信息。（2）在XPS實(shí)驗(yàn)中，怎樣區(qū)分譜圖上的光電子峰和俄歇峰。在XPS實(shí)驗(yàn)中，通過切換Mg靶和Al靶能夠?qū)怆娮臃搴投硇暹M(jìn)行區(qū)分。（3）用Al七（hv=1486.6eV）和Mg七（hv=1253.6eV）激發(fā)Cu2p的光電子動(dòng)能相同嗎？Cu2p/和Cu2p說的結(jié)合能分別約為933eV和953eV，請(qǐng)計(jì)算功能值。信號(hào)電子（動(dòng)能大于200eV）的非彈性散射平均自由程入滿足經(jīng)驗(yàn)公式人=0.1*E./[o（ln氣+b）（單位nm），其中Ek為逸出光電子的動(dòng)能（以eV為單位），取常數(shù)o=10,b=-2.3。定義逸出深度d=3人，請(qǐng)計(jì)算上述Cu2p光電子的逸出深度，并作比較。答：1.因?yàn)楣庠茨芰坎煌?，因此各自激發(fā)的Cu2p光電子的動(dòng)能不同。2.由于題中未給定Cu樣品的功函數(shù)，因此認(rèn)為是指對(duì)單原子進(jìn)行求解，即功函數(shù)為0.根據(jù)公式可以Eb=加—?dú)?，—、?jì)算得出:入射光源AlKaMgKa軌道Cu2p堆553.6eV320.6eV533.6eV300.6eV對(duì)于Cu2p軌道，光電子的逸出深度由給定的公式計(jì)算出結(jié)果如下表:入射光源AlKaMgKa軌道Cu2P堆4.135nm2.772nmCu2Pi24.023nm2.648nm從中可知，隨著入射光源能量的減小，光電子的逸出深度迅速衰減。（4）為什么說XPS是一種表面分析方法？試列舉出2種表面分析方法，并作比較。答：1.如（3）中所計(jì)算的逸出深度，只有幾個(gè)納米的大小，這意味著大于逸出深度的電子無法逃出樣品而被儀器探測(cè)到。因此它是一種表面分析技術(shù)。XPS所給出的信息都是關(guān)于表面原子的信息。2.其他表面分析方法有AES（已在題目（1）中進(jìn)行了比較）。STM也是一種廣泛的應(yīng)用的表面分析方法。通過量子遂穿原理，STM儀器利用加有偏壓的針尖采集樣品表面的信息。STM可以非常直觀地觀察樣品表面的原子排布情況，這是和XPS和AE