X射線光電子能譜分析-課件

X射線光電子能譜分析（XPS）

X-rayPhotoelectronSpectroscopy匯報(bào)人：張亞娜組員：高悅青格樂曲慧慧1ppt課件

X射線光電子能譜分析（XPS）

X-rayPhotoel主要內(nèi)容一、XPS的發(fā)展二、XPS的基本原理三、光電子能譜儀實(shí)驗(yàn)技術(shù)四、X射線光電子能譜的應(yīng)用2ppt課件主要內(nèi)容一、XPS的發(fā)展2ppt課件X射線是由德國物理學(xué)家倫琴（WilhelmConradR?ntgen，l845-1923）于1895年發(fā)現(xiàn)的，他由此獲得了1901年首屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。XPS現(xiàn)象基于愛因斯坦于1905年揭示的光電效應(yīng)，愛因斯坦由于這方面的工作被授予1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；XPS是由瑞典Uppsala大學(xué)的K.Siegbahn及其同事歷經(jīng)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(duì)發(fā)展XPS領(lǐng)域做出的重大貢獻(xiàn)，他被授予1981年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。一、XPS的發(fā)展3ppt課件X射線是由德國物理學(xué)家倫琴（WilhelmConradRX射線光電子能譜（XPS，全稱為X-rayPhotoelectronSpectroscopy）是一種基于光電效應(yīng)的電子能譜，它是利用X射線光子激發(fā)出物質(zhì)表面原子的內(nèi)層電子，通過對(duì)這些電子進(jìn)行能量分析而獲得的一種能譜。這種能譜最初是被用來進(jìn)行化學(xué)分析，因此它還有一個(gè)名稱，即化學(xué)分析電子能譜（ESCA，全稱為ElectronSpectroscopyforChemicalAnalysis）4ppt課件X射線光電子能譜（XPS，全稱為X-rayPhotoe光電效應(yīng)

具有足夠能量的入射光子(hν)同樣品相互作用時(shí)，光子把它的全部能量轉(zhuǎn)移給原子、分子或固體的某一束縛電子，使之電離。5ppt課件光電效應(yīng)5ppt課件X射線起源于軔致輻射，可被認(rèn)為是光電效應(yīng)的逆過程，即：電子損失動(dòng)能

產(chǎn)生光子(X射線)快電子原子核慢電子EK1EK2h光子二、XPS的基本原理6ppt課件X射線起源于軔致輻射，可被認(rèn)為是光電效應(yīng)的逆過程，即：快電子

電子能譜法：光致電離

A+h

A+*+ehX射線光電子能譜

單色X射線也可激發(fā)多種核內(nèi)電子或不同能級(jí)上的電子，產(chǎn)生由一系列峰組成的電子能譜圖，每個(gè)峰對(duì)應(yīng)于一個(gè)原子能級(jí)（s、p、d、f）7ppt課件電子能譜法：光致電離hX射線光電子能譜單色X射線

光子的一部分能量用來克服軌道電子結(jié)合能(EB)，余下的能量便成為發(fā)射光電子(e-)所具有的動(dòng)能(EK)，這就是光電效應(yīng)。用公式表示為：Ek=hν-EB–Ws

結(jié)合能(EB)：電子克服原子核束縛和周圍電子的作用，到達(dá)費(fèi)米能級(jí)所需要的能量。因?yàn)樵拥馁|(zhì)量至少是電子質(zhì)量的

2000

倍，我們可以把反沖原子的能量忽略不計(jì)。

8ppt課件光子的一部分能量用來克服軌道電子結(jié)合能(EB)，余1、XPS譜圖分析中原子能級(jí)的表示方法

XPS譜圖分析中原子能級(jí)的表示用兩個(gè)數(shù)字和一個(gè)小字母表示。例如:3d5/2

第一個(gè)數(shù)字3代表主量子數(shù)(n),

小寫字母代表角量子數(shù);

右下角的分?jǐn)?shù)代表內(nèi)量子數(shù)j

l—為角量子數(shù)，l=0,1,2,3……,9ppt課件1、XPS譜圖分析中原子能級(jí)的表示方法9ppt課件注意:

在XPS譜圖中自旋－軌道偶合作用的結(jié)果，使l不等于0（非s軌道）的電子在XPS譜圖上出現(xiàn)雙峰，而S軌道上的電子沒有發(fā)生能級(jí)分裂，所以在XPS譜圖中只有一個(gè)峰。

10ppt課件注意:10ppt課件2、化學(xué)位移1.定義由于化合物結(jié)構(gòu)的變化和元素氧化狀態(tài)的變化引起譜峰有規(guī)律的位移稱為化學(xué)位移2.化學(xué)位移現(xiàn)象起因及規(guī)律（1）原因內(nèi)層電子一方面受到原子核強(qiáng)烈的庫侖作用而具有一定的結(jié)合能，另一方面又受到外層電子的屏蔽作用。因而元素的價(jià)態(tài)改變或周圍元素的電負(fù)性改變，則內(nèi)層電子的結(jié)合能改變。11ppt課件2、化學(xué)位移11ppt課件例：三氟乙酸乙酯4個(gè)碳元素所處化學(xué)環(huán)境不同，與元素電負(fù)性的關(guān)系電負(fù)性：F>O>C>H

（2）規(guī)律當(dāng)元素的價(jià)態(tài)增加，電子受原子核的庫倫作用增加，結(jié)合能增加；當(dāng)外層電子密度減少時(shí)，屏蔽作用將減弱，內(nèi)層電子的結(jié)合能增加；反之則結(jié)合能將減少。12ppt課件例：三氟乙酸乙酯（2）規(guī)律12ppt課件三、光電子能譜儀實(shí)驗(yàn)技術(shù)光電子能譜儀的結(jié)構(gòu)電子能譜儀主要由激發(fā)源、電子能量分析器、探測電子的監(jiān)測器和真空系統(tǒng)等幾個(gè)部分組成。13ppt課件三、光電子能譜儀實(shí)驗(yàn)技術(shù)光電子能譜儀的結(jié)構(gòu)13ppt課件電子能譜儀通常采用的激發(fā)源有三種：X射線源、真空紫外燈和電子槍。商品譜儀中將這些激發(fā)源組裝在同一個(gè)樣品室中，成為一個(gè)多種功能的綜合能譜儀。電子能譜常用激發(fā)源14ppt課件電子能譜儀通常采用的激發(fā)源有三種：X射線源、真空紫外燈和電子1．Ｘ射線激發(fā)源

XPS中最常用的X射線源主要由燈絲、柵極和陽極靶構(gòu)成，要獲得高分辨譜圖和減少伴峰的干擾，可以采用射線單色器來實(shí)現(xiàn)。

X射線源的主要指標(biāo)是強(qiáng)度和線寬，一般采用K線，因?yàn)樗荴射線發(fā)射譜中強(qiáng)度最大的。在X射線光電子能譜中最重要的兩個(gè)X射線源是Mg和Al的特征K射線.XPS采用能量為1000~1500ev的射線源，能激發(fā)內(nèi)層電子。各種元素內(nèi)層電子的結(jié)合能是有特征性的，因此可以用來鑒別化學(xué)元素；15ppt課件1．Ｘ射線激發(fā)源XPS采用能量為1000~1500ev的射2.電子能量分析器（1）作用：探測樣品發(fā)射出來的不同能量電子的相對(duì)強(qiáng)度。它必須在高真空條件下工作，壓力要低于10-5帕，以便盡量減少電子與分析器中殘余氣體分子碰撞的幾率。（2）類型

16ppt課件2.電子能量分析器16ppt課件半球型電子能量分析器改變兩球面間的電位差，不同能量的電子依次通過分析器，分辨率高；17ppt課件半球型電子能量分析器17ppt課件筒鏡式電子能量分析器同軸圓筒，外筒接負(fù)壓、內(nèi)筒接地，兩筒之間形成靜電場；靈敏度高、分辨率低；18ppt課件筒鏡式電子能量分析器18ppt課件3.檢測器用電子倍增器檢測電子數(shù)目。電子倍增器是一種采用連續(xù)倍增電極表面的靜電器件，內(nèi)壁具有二次發(fā)射性能。電子進(jìn)入器件后在通道內(nèi)連續(xù)倍增，增益可達(dá)109

19ppt課件3.檢測器19ppt課件1、減少電子在運(yùn)動(dòng)過程中同殘留氣體分子發(fā)生碰撞而損失信號(hào)強(qiáng)度。2、降低活性殘余氣體的分壓。因在記錄譜圖所必需的時(shí)間內(nèi)，殘留氣體會(huì)吸附到樣品表面上，甚至有可能和樣品發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而影響電子從樣品表面上發(fā)射并產(chǎn)生外來干擾譜線。298K吸附一層氣體分子所需時(shí)間10-4Pa時(shí)為1秒；10-7Pa時(shí)為1000秒4.真空系統(tǒng)20ppt課件1、減少電子在運(yùn)動(dòng)過程中同殘留氣體分子發(fā)生碰撞而損失信號(hào)強(qiáng)度

氣體采用差分抽氣的方法把氣體引進(jìn)樣品室直接進(jìn)行測定塊狀：直接夾在或黏在樣品托上。粉末：可以粘在雙面膠帶上或壓入銦箔（或金屬網(wǎng)）內(nèi)，也可以壓成片再固定在樣品托上。（1）真空加熱（2）氬離子刻蝕氣化液體固體冷凍5、

樣品的制備21ppt課件氣體采用差分抽氣的方法把氣體引進(jìn)樣品室直接進(jìn)行測定塊狀：6、XPS譜圖的表示（1）.XPS譜圖的表示橫坐標(biāo)：動(dòng)能或結(jié)合能，單位是eV，一般以結(jié)合能為橫坐標(biāo)?？v坐標(biāo)：相對(duì)強(qiáng)度（CPS）。

結(jié)合能為橫坐標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)合能比動(dòng)能更能反應(yīng)電子的殼層結(jié)構(gòu)（能級(jí)結(jié)構(gòu)）結(jié)合能與激發(fā)光源的能量無關(guān)

22ppt課件6、XPS譜圖的表示22ppt課件（2）譜峰、背底或伴峰譜峰：X射線光電子入射，激發(fā)出的彈性散射的光電子形成的譜峰，譜峰明顯而尖銳。背底或伴峰：如光電子(從產(chǎn)生處向表面)輸送過程中因非彈性散射(損失能量)而產(chǎn)生的能量損失峰，X射線源的強(qiáng)伴線產(chǎn)生的伴峰，俄歇電子峰等。23ppt課件（2）譜峰、背底或伴峰23ppt課件（3）XPS峰強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律主量子數(shù)小的殼層的峰比主量子數(shù)大的峰強(qiáng)；同一殼層，角量子數(shù)大者峰強(qiáng)；

n和l都相同者，j大者峰強(qiáng)。24ppt課件（3）XPS峰強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律24ppt課件25ppt課件25ppt課件四、X射線光電子能譜的應(yīng)用1.元素的定性分析。可以根據(jù)能譜圖中出現(xiàn)的特征譜線的位置鑒定除H、He以外的所有元素。2.元素的定量分析。根據(jù)能譜圖中光電子譜線強(qiáng)度（光電子峰的面積）反應(yīng)原子的含量或相對(duì)濃度。XPS的特點(diǎn)：在實(shí)驗(yàn)時(shí)樣品表面受輻照損傷小，能檢測周期表中除H和He以外所有的元素，并具有很高的絕對(duì)靈敏度。26ppt課件四、X射線光電子能譜的應(yīng)