第四章光電子能譜原理及應(yīng)用

本文檔共86頁；當(dāng)前第1頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分

XPS也叫ESCA（ElectronSpectroscopyforChemicalAnalysis），是研究表面成分的重要手段。原理是光電效應(yīng)（photoelectriceffect）。1960’s由UniversityofUppsala,Sweden的KaiSiegbahn等發(fā)展。EMPA中X射線穿透大，造成分析區(qū)太深。而由于電子穿透小，深層所產(chǎn)生的電子不出現(xiàn)干擾，所以可對表面幾個(gè)原子層進(jìn)行分析。（吸附、催化、鍍膜、離子交換等領(lǐng)域）一概述本文檔共86頁；當(dāng)前第2頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分1、歷史1877年，赫斯（heinrichRudolfHertz）發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)1907年，用半球磁場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譜圖本文檔共86頁；當(dāng)前第3頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分1969年，凱.西格班和HP合作生產(chǎn)出第一臺XPS儀器1981年，凱.西格班因?qū)PS的貢獻(xiàn)獲諾貝爾獎(jiǎng)金1、歷史本文檔共86頁；當(dāng)前第4頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分2、XPS應(yīng)用測定材料表面組成測定元素在化合物中的化學(xué)態(tài)本文檔共86頁；當(dāng)前第5頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分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)能本文檔共86頁；當(dāng)前第6頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分X-rayBeamX-raypenetrationdepth~1mm.Electronscanbeexcitedinthisentirevolume.X-rayexcitationarea~1x1cm2.ElectronsareemittedfromthisentireareaElectronsareextractedonlyfromanarrowsolidangle.1mm210nm本文檔共86頁；當(dāng)前第7頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分原子中的電子變?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)本文檔共86頁；當(dāng)前第8頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分ConductionBandValenceBandL2,L3L1KFermiLevelFreeElectronLevel光：IncidentX-ray發(fā)射出的光電子EjectedPhotoelectron1s2s2p本文檔共86頁；當(dāng)前第9頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分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，仍有小的可以測量的變化。

決定體系化學(xué)反應(yīng)3、原理本文檔共86頁；當(dāng)前第10頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分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、原理本文檔共86頁；當(dāng)前第11頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分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、原理本文檔共86頁；當(dāng)前第12頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分4、X射線光電子能譜儀本文檔共86頁；當(dāng)前第13頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分本文檔共86頁；當(dāng)前第14頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分4、X射線光電子能譜儀4.1結(jié)構(gòu)本文檔共86頁；當(dāng)前第15頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分4、X射線光電子能譜儀4.2X射線源金屬exhvAlkα1486eV

Mgkα1253eV

Al、Mg本文檔共86頁；當(dāng)前第16頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分4、X射線光電子能譜儀

X射線MgAl能量(eV)相對強(qiáng)度能量(eV)相對強(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本文檔共86頁；當(dāng)前第17頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分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－升華泵本文檔共86頁；當(dāng)前第18頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分4、X射線光電子能譜儀4.4電子能量分析器R2R1ΔV本文檔共86頁；當(dāng)前第19頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分5、XPS儀一般性能5.1XPS譜圖全掃描光電子數(shù)結(jié)合能本文檔共86頁；當(dāng)前第20頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分高分辨掃描5、XPS儀一般性能本文檔共86頁；當(dāng)前第21頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分5.2檢測元素Li（3）～U（92）5、XPS儀一般性能本文檔共86頁；當(dāng)前第22頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分X射線光電子能譜(XPS)4、X射線光電子能譜儀本文檔共86頁；當(dāng)前第23頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分5.3測試厚度金屬0.5-2nm氧化物2-4nm有機(jī)物和聚合物4-10nm5、XPS儀一般性能本文檔共86頁；當(dāng)前第24頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分5.4靈敏度檢測限：0.1%~1%5、XPS儀一般性能本文檔共86頁；當(dāng)前第25頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分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本文檔共86頁；當(dāng)前第26頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分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。使XPS鐠線結(jié)合能偏離正常位置，稱為荷電效應(yīng)。6、XPS分析本文檔共86頁；當(dāng)前第27頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分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)本文檔共86頁；當(dāng)前第28頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分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)本文檔共86頁；當(dāng)前第29頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分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分析本文檔共86頁；當(dāng)前第30頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分6、XPS分析6.3深度分析6.3.1離子濺射本文檔共86頁；當(dāng)前第31頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分6.3.2改變電子逸出角度eX-raylX-rayθθll’l6、XPS分析6.3深度分析本文檔共86頁；當(dāng)前第32頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分優(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改變電子逸出角度本文檔共86頁；當(dāng)前第33頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分6.3.3角分辨XPSX-rayeee6、XPS分析本文檔共86頁；當(dāng)前第34頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分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分析本文檔共86頁；當(dāng)前第35頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分6、XPS分析6.4.1衛(wèi)星峰（satellitepeaks）本文檔共86頁；當(dāng)前第36頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分6.4.2鬼峰（ghostpeaks）

由于X射源的陽極可能不純或被污染，則產(chǎn)生的X射線不純。因非陽極材料X射線所激發(fā)出的光電子譜線被稱為“鬼峰”。6、XPS分析本文檔共86頁；當(dāng)前第37頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分6.4.3能量損失峰

對于某些材料，光電子在離開樣品表面的過程中，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分析本文檔共86頁；當(dāng)前第38頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分6、XPS分析6.4.3能量損失峰本文檔共86頁；當(dāng)前第39頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分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—

檢測系數(shù)

λ—

光電子的平均自由程（cm）6、XPS分析本文檔共86頁；當(dāng)前第40頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分令

S=σψγAλ為靈敏度因子

已知Si,測得I6、XPS分析6.5定量分析本文檔共86頁；當(dāng)前第41頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分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、譜圖背底高本文檔共86頁；當(dāng)前第42頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分7.1.1單色化原理7、XPS儀器新進(jìn)展7.1單色化XPS本文檔共86頁；當(dāng)前第43頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分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本文檔共86頁；當(dāng)前第44頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分原子面對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本文檔共86頁；當(dāng)前第45頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分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本文檔共86頁；當(dāng)前第46頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分7.2小束斑XPSTorroidalCrystalAnodeElectronGun7.2.1原理7、XPS儀器新進(jìn)展本文檔共86頁；當(dāng)前第47頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分

X射線在樣品上的光斑大小與電子打在金屬（陽極）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本文檔共86頁；當(dāng)前第48頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分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本文檔共86頁；當(dāng)前第49頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分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本文檔共86頁；當(dāng)前第50頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分7、XPS儀器新進(jìn)展7.2小束斑XPS本文檔共86頁；當(dāng)前第51頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分7、XPS儀器新進(jìn)展線掃描7.2小束斑XPS本文檔共86頁；當(dāng)前第52頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分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)過放大后變成電子脈沖信號,后者打在熒光板上產(chǎn)生光信號,并存儲于相應(yīng)的像元中7、XPS儀器新進(jìn)展本文檔共86頁；當(dāng)前第53頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分7、XPS儀器新進(jìn)展SiSiO27.3成像XPS本文檔共86頁；當(dāng)前第54頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分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樣品元素深度分布本文檔共86頁；當(dāng)前第55頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分8.2表面（界面）元素及化合物測定C1sO1sFe2p金屬鐵8.XPS應(yīng)用Fe3O4本文檔共86頁；當(dāng)前第56頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分8.XPS應(yīng)用8.2表面（界面）元素及化合物測定

涂層本文檔共86頁；當(dāng)前第57頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分8.XPS應(yīng)用8.2表面（界面）元素及化合物測定

涂層本文檔共86頁；當(dāng)前第58頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分8.XPS應(yīng)用8.2表面（界面）元素及化合物測定

本文檔共86頁；當(dāng)前第59頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分8.XPS應(yīng)用8.2表面元素及化合物測定

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

￥%#@*&……*本文檔共86頁；當(dāng)前第60頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分8.X射線光譜儀功能8.3表面元素化學(xué)態(tài)測定本文檔共86頁；當(dāng)前第61頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分8.X射線光譜儀功能8.3表面元素化學(xué)態(tài)測定

本文檔共86頁；當(dāng)前第62頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分8.XPS應(yīng)用8.3表面元素化學(xué)態(tài)測定

化學(xué)態(tài)不僅僅是價(jià)態(tài)哦本文檔共86頁；當(dāng)前第63頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分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)測定

本文檔共86頁；當(dāng)前第64頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分8.XPS應(yīng)用8.4表面修飾和改性XPSsurveyscanspectra:a.pristineMWCNTs,b.oxidizedMWCNTs,c.DEA-functionalizedMWCNTsd,purified-MWCNTstreatedbyDEACNT表面修飾本文檔共86頁；當(dāng)前第65頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分C1sscanspectra:a.pristineMWCNTs,b.oxidizedMWCNTs,c.DEA-functionalizedMWCNTsd,purified-MWCNTstreatedbyDEA

8.XPS應(yīng)用8.4表面修飾和改性

本文檔共86頁；當(dāng)前第66頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分心臟瓣膜用肝磷酯處理8.XPS應(yīng)用8.4表面修飾和改性

本文檔共86頁；當(dāng)前第67頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分心臟瓣膜用肝磷酯處理8.XPS應(yīng)用8.4表面修飾和改性

本文檔共86頁；當(dāng)前第68頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分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

本文檔共86頁；當(dāng)前第69頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分8.XPS應(yīng)用8.4界面作用TiO2本文檔共86頁；當(dāng)前第70頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分8.XPS應(yīng)用8.4界面作用TiO2本文檔共86頁；當(dāng)前第71頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分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本文檔共86頁；當(dāng)前第72頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分8.XPS應(yīng)用8.4界面作用Al2O3表面Ti膜本文檔共86頁；當(dāng)前第73頁；編輯于星期二\21點(diǎn)10分8.XPS應(yīng)用8.4界面作用Al2O3表面Ti膜本文檔共86頁；當(dāng)前第74頁；