光電子能譜原理及應(yīng)用

光電子能譜原理及應(yīng)用第一頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日1、歷史1877年，赫斯（heinrichRudolfHertz）發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)1907年，用半球磁場(chǎng)和感光板記錄到不同速度電子1954年，瑞典烏普沙拉（Uppsala）大學(xué)的凱.西格班（KaiM.Siegbahn）領(lǐng)導(dǎo)的研究組得到第一張XPS譜圖第二頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日1969年，凱.西格班和HP合作生產(chǎn)出第一臺(tái)XPS儀器1981年，凱.西格班因?qū)PS的貢獻(xiàn)獲諾貝爾獎(jiǎng)金1、歷史第三頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日2、XPS應(yīng)用測(cè)定材料表面組成測(cè)定元素在化合物中的化學(xué)態(tài)第四頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日3、原理3.1光電效應(yīng)電子擺脫原子核束縛所需要的能量電子脫離樣品后的動(dòng)能第五頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日原子中的電子變?yōu)檎婵罩械撵o止電子所需要的能量特定原子、特定軌道上的電子的結(jié)合能為定值3、原理3.1光電效應(yīng)第六頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日3.2原子內(nèi)層電子的穩(wěn)定性原子上電子分為：

1、價(jià)電子；2、內(nèi)層電子

1）內(nèi)層電子的結(jié)合能在一個(gè)窄的范圍內(nèi)基本是一個(gè)常數(shù)，具有原子的特征性質(zhì)。

2）內(nèi)層電子隨著原子化學(xué)環(huán)境的不同，仍有小的可以測(cè)量的變化。

決定體系化學(xué)反應(yīng)3、原理第七頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日3.3、電子結(jié)合能化學(xué)位移

電子結(jié)合能位移：原子的一個(gè)內(nèi)殼層電子的結(jié)合能受核內(nèi)電荷和核外電荷分布的的影響。任何引起這些電荷分布發(fā)生變化的因素都有可能使原子內(nèi)殼層電子的結(jié)合能產(chǎn)生變化。化學(xué)位移：由于原子處于不同的化學(xué)環(huán)境(如價(jià)態(tài)變化或與電負(fù)性不同的原子結(jié)合等)發(fā)生改變，所引起的結(jié)合能位移。物理位移：由于物理因素(熱效應(yīng)、表面電荷、凝聚態(tài)的固態(tài)效應(yīng)等)而引起的結(jié)合能的位移。3、原理第八頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日3.4、電子自由程

電子自由程為10nm，只有表面上產(chǎn)生的光電子可以溢出。3、原理第九頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日4、X射線光電子能譜儀第十頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日4、X射線光電子能譜儀4.1結(jié)構(gòu)第十一頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日4、X射線光電子能譜儀4.2X射線源金屬exhvAlkα1486eV

Mgkα1253eV

Al、Mg第十二頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日4、X射線光電子能譜儀

X射線MgAl能量(eV)相對(duì)強(qiáng)度能量(eV)相對(duì)強(qiáng)度K11253.767.01486.767.0K21253.433.01486.333.0K’1258.21.01492.31.0K31262.19.21496.37.8K41263.15.11498.23.3K51271.00.81506.50.42K61274.20.51510.10.28K1302.02.01557.02.0第十三頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日4、X射線光電子能譜儀4.3UHV室－分析室目的：①清潔樣品表面②減少空氣分子與電子的碰撞機(jī)械泵－擴(kuò)散泵－分子泵－升華泵第十四頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日4、X射線光電子能譜儀4.4電子能量分析器R2R1ΔV第十五頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日5、XPS儀一般性能5.1XPS譜圖全掃描光電子數(shù)結(jié)合能第十六頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日高分辨掃描5、XPS儀一般性能第十七頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日5.2檢測(cè)元素Li（3）～U（92）5、XPS儀一般性能第十八頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日X射線光電子能譜(XPS)4、X射線光電子能譜儀第十九頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日5.3測(cè)試厚度金屬0.5-2nm氧化物2-4nm有機(jī)物和聚合物4-10nm5、XPS儀一般性能第二十頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日5.4靈敏度檢測(cè)限：0.1%~1%5、XPS儀一般性能第二十一頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日6、XPS分析6.1能量標(biāo)定

AlKMgKCu3pAu4f7/2Ag3d5/2CuL3MMCu2p3/2AgM4NN75.140.0283.980.02368.270.02567.970.02932.670.021128.790.0275.130.0284.000.01368.290.01334.950.01932.670.02895.760.02第二十二頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日6.2荷電效應(yīng)

表面電子逸出后，絕緣樣品表面帶正電荷，形成額外電場(chǎng)。使XPS鐠線結(jié)合能偏離正常位置，稱為荷電效應(yīng)。6、XPS分析第二十三頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日6.2.1標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)樣：Ag3d5/2368.2eVAu4f7/284.0eV污染炭：C1s284.8eV離子注入：Ar2p3/2245.0eV6、XPS分析6.2荷電效應(yīng)第二十四頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日6.2.2電荷補(bǔ)償①低能電子槍發(fā)射電子，將內(nèi)標(biāo)補(bǔ)償?shù)綐?biāo)準(zhǔn)位置②電子離子槍可同時(shí)發(fā)射電子和離子，將內(nèi)標(biāo)補(bǔ)償?shù)綐?biāo)準(zhǔn)位置6、XPS分析6.2荷電效應(yīng)第二十五頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日6.3深度分析材料不同深度上元素及鍵合態(tài)的分析采用Ar＋轟擊的方法剝蝕樣品表面優(yōu)點(diǎn)：可以得到任意深度的信息缺點(diǎn)：①樣品化學(xué)態(tài)改變②不同材料刻蝕速度不同③用Ar+不能剝蝕有機(jī)材料6.3.1離子濺射6、XPS分析第二十六頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日6、XPS分析6.3深度分析6.3.1離子濺射第二十七頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日6.3.2改變電子逸出角度eX-raylX-rayθθll’l6、XPS分析6.3深度分析第二十八頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日優(yōu)點(diǎn)：非破壞性，不改變樣品的狀態(tài)缺點(diǎn)：①分析深度有限②角度旋轉(zhuǎn)后，分析面積變化6、XPS分析6.3深度分析6.3.2改變電子逸出角度第二十九頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日6.3.3角分辨XPSX-rayeee6、XPS分析第三十頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日6.4特異峰6.4.1衛(wèi)星峰（satellitepeaks）X射線一般不是單一的特征X射線，而是還存在一些能量略高的小伴線，所以導(dǎo)致XPS中，除K1,2所激發(fā)的主譜外，還有一些小峰。

6、XPS分析第三十一頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日6、XPS分析6.4.1衛(wèi)星峰（satellitepeaks）第三十二頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日6.4.2鬼峰（ghostpeaks）

由于X射源的陽(yáng)極可能不純或被污染，則產(chǎn)生的X射線不純。因非陽(yáng)極材料X射線所激發(fā)出的光電子譜線被稱為“鬼峰”。6、XPS分析第三十三頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日6.4.3能量損失峰

對(duì)于某些材料，光電子在離開(kāi)樣品表面的過(guò)程中，可能與表面的其它電子相互作用而損失一定的能量，而在XPS低動(dòng)能側(cè)出現(xiàn)一些伴峰，即能量損失峰。6、XPS分析第三十四頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日6、XPS分析6.4.3能量損失峰第三十五頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日6.5定量分析

I＝nfσψγAλ

式中：I—峰強(qiáng)度

n—

每cm2的原子數(shù)

f—X射線通量（光子∕cm2·s）

σ—光電截面積（cm2）

ψ—與X射線和出射光電子的夾角有關(guān)因子

γ—

光電產(chǎn)額（光電子∕光子）

A—

采樣面積（cm2）

T—

檢測(cè)系數(shù)

λ—光電子的平均自由程（cm）6、XPS分析第三十六頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日令

S=σψγAλ為靈敏度因子

已知Si,測(cè)得I6、XPS分析6.5定量分析第三十七頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日7、XPS儀器新進(jìn)展7.1單色化XPSX射線不純所造成的不利影響：

1、衛(wèi)星峰

2、分辨率不高

3、譜圖背底高第三十八頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日7.1.1單色化原理7、XPS儀器新進(jìn)展7.1單色化XPS第三十九頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日ABd反射面法線布拉格方程（Braggequation）7、XPS儀器新進(jìn)展7.1單色化XPS第四十頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日原子面對(duì)X射線的反射并不是任意的，只有當(dāng)、、d三者之間滿足布拉格方程時(shí)才能發(fā)生反射。7、XPS儀器新進(jìn)展7.1單色化XPS第四十一頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日7.1.2單色化XPS優(yōu)點(diǎn)X射線的寬度從0.9eV降低到0.25eV,單色化后的XPS的分辨率高出很多，達(dá)到0.47eV。能得到更多化合態(tài)信息衛(wèi)星峰、鬼峰消失樣品受到X射線傷害較少。7、XPS儀器新進(jìn)展7.1單色化XPS第四十二頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日7.2小束斑XPSTorroidalCrystalAnodeElectronGun7.2.1原理7、XPS儀器新進(jìn)展第四十三頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日

X射線在樣品上的光斑大小與電子打在金屬（陽(yáng)極）上的光斑大小近似。調(diào)節(jié)電子斑大小即可調(diào)節(jié)X射線光斑大小。聚焦電子束，調(diào)節(jié)電子斑尺寸。7、XPS儀器新進(jìn)展7.2小束斑XPS第四十四頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日7.2.2特點(diǎn)X射線光斑尺寸20μm~500

μm可調(diào)單色化X射線，XPS分辨率達(dá)到0.47eV樣品受到X射線傷害較少。7、XPS儀器新進(jìn)展7.2小束斑XPS第四十五頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日7.2.3應(yīng)用特定區(qū)域分析線分布或面分布7、XPS儀器新進(jìn)展7.2小束斑XPS第四十六頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日7、XPS儀器新進(jìn)展7.2小束斑XPS第四十七頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日7、XPS儀器新進(jìn)展線掃描7.2小束斑XPS第四十八頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日7.3成像XPS原理用平行成像法進(jìn)行成像XPS分析時(shí),光電子進(jìn)入多通道板,經(jīng)過(guò)放大后變成電子脈沖信號(hào),后者打在熒光板上產(chǎn)生光信號(hào),并存儲(chǔ)于相應(yīng)的像元中7、XPS儀器新進(jìn)展第四十九頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日7、XPS儀器新進(jìn)展SiSiO27.3成像XPS第五十頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日8.XPS應(yīng)用8.1XPS功能②表面元素化學(xué)態(tài)（鍵合狀態(tài)）的定性、定量分析③表面元素的分布④表面元素分布圖①表面元素組成的定性、定量分析⑤樣品元素深度分布第五十一頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日8.2表面（界面）元素及化合物測(cè)定C1sO1sFe2p金屬鐵8.XPS應(yīng)用Fe3O4第五十二頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日8.XPS應(yīng)用8.2表面（界面）元素及化合物測(cè)定

涂層第五十三頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日8.XPS應(yīng)用8.2表面（界面）元素及化合物測(cè)定

涂層第五十四頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日8.XPS應(yīng)用8.2表面（界面）元素及化合物測(cè)定

第五十五頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日8.XPS應(yīng)用8.2表面元素及化合物測(cè)定

應(yīng)用于：材料改性表面工程腐蝕與防護(hù)涂層催化劑組成微電子和半導(dǎo)體材料表面成份和污染

￥%#@*&……*第五十六頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日8.X射線光譜儀功能8.3表面元素化學(xué)態(tài)測(cè)定第五十七頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日8.X射線光譜儀功能8.3表面元素化學(xué)態(tài)測(cè)定

第五十八頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日8.XPS應(yīng)用8.3表面元素化學(xué)態(tài)測(cè)定

化學(xué)態(tài)不僅僅是價(jià)態(tài)哦第五十九頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日8.XPS應(yīng)用應(yīng)用于：催化劑活性成份、組分間相互作用機(jī)理、失效機(jī)理；表面反應(yīng)，表面改性；表面工程腐蝕與防護(hù)

@c_#%$,?/_8.3表面元素化學(xué)態(tài)測(cè)定

第六十頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日8.XPS應(yīng)用8.4表面修飾和改性XPSsurveyscanspectra:a.pristineMWCNTs,b.oxidizedMWCNTs,c.DEA-functionalizedMWCNTsd,purified-MWCNTstreatedbyDEACNT表面修飾第六十一頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日C1sscanspectra:a.pristineMWCNTs,b.oxidizedMWCNTs,c.DEA-functionalizedMWCNTsd,purified-MWCNTstreatedbyDEA

8.XPS應(yīng)用8.4表面修飾和改性

第六十二頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日心臟瓣膜用肝磷酯處理8.XPS應(yīng)用8.4表面修飾和改性

第六十三頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日心臟瓣膜用肝磷酯處理8.XPS應(yīng)用8.4表面修飾和改性

第六十四頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日8.XPS應(yīng)用應(yīng)用于：生物材料；填料；納米器件；

c+*_#%$.<_8.4表面修飾和改性

第六十五頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日8.XPS應(yīng)用8.4界面作用TiO2第六十六頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日8.XPS應(yīng)用8.4界面作用TiO2第六十七頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日Al2O3TiXe8.XPS應(yīng)用8.4界面作用Al2O3表面Ti膜膜必需小于光電子可以溢出的厚度第六十八頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日8.XPS應(yīng)用8.4界面作用Al2O3表面Ti膜第六十九頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日8.XPS應(yīng)用8.4界面作用Al2O3表面Ti膜第七十頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日8.XPS應(yīng)用8.4界面作用粘合劑：酚醛樹(shù)脂和氯化橡膠粘結(jié)物：合金用液氮急凍分裂界面，破裂面上帶有界面作用信息第七十一頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日氯和金屬?zèng)]有發(fā)生作用8.XPS應(yīng)用8.4界面作用酚醛樹(shù)脂和氯化橡膠粘合劑第七十二頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日8.XPS應(yīng)用8.4界面作用酚醛樹(shù)脂和氯化橡膠粘合劑第七十三頁(yè)，共八十五頁(yè)，2022年，8月28日8.XPS應(yīng)用8.4界面作用酚醛樹(shù)脂和氯化橡膠粘合劑第七十四頁(yè)，共八十五頁(yè)，202