XPS基本原理課件

19th.NOV.2013X射線光電子能譜(XPS)2/18/2024.目錄光電效應(yīng)結(jié)合能與化學(xué)位移原子能級(jí)的劃分電子結(jié)合能終態(tài)效應(yīng)2/18/2024.

光電發(fā)射

一個(gè)光子撞擊一個(gè)原子將發(fā)生以下其中之一：

光子無相互作用地穿過光子被原子的軌道電子散射導(dǎo)致部分能量損失（康普頓散射）光子與軌道電子相互作用把光子能量全部傳給電子導(dǎo)致電子從原子中發(fā)射（XPS）我們討論這個(gè)一.光電效應(yīng)2/18/2024.光電效應(yīng)

MM+γe-hybeforecollisionaftercollisionenergies2/18/2024.光電效應(yīng)能量變化關(guān)系：原子中的電子被束縛在不同的量子化能級(jí)上：?Ψi=EiΨi

(原子中i電子的本征薛定諤方程)光子hv撞擊n電子系統(tǒng)后，使系統(tǒng)由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)：初態(tài)原子波函數(shù)Ψi(n)能量Ei(n)終態(tài)離子波函數(shù)Ψf(n-1,k)能量Ef(n-1,k)hv撞擊自由光電子當(dāng)hv>EB時(shí)2/18/2024.光電效應(yīng)能量變化關(guān)系：A+hν→A+*+e?由能量守衡:Ei(n)+hν=Ef(n-1,k)+EKEK=hν?EB結(jié)合能定義：2/18/2024.電離過程——一次過程(Primaryprocess)光電離:A+hν→A+*+e?光電離有別于光吸收或發(fā)射的共振躍遷,超過電離的閾值能量的光子能夠引起同樣的電離過程過量的能量將傳給電子以動(dòng)能的形式出現(xiàn)光電子強(qiáng)度正比于整個(gè)過程發(fā)生的幾率（后者常稱為電離截面σ）122/18/2024.電離過程——一次過程(Primaryprocess)光電離:A+hν→A+*+e?光電離有別于光吸收或發(fā)射的共振躍遷,超過電離的閾值能量的光子能夠引起同樣的電離過程過量的能量將傳給電子以動(dòng)能的形式出現(xiàn)光電子強(qiáng)度正比于整個(gè)過程發(fā)生的幾率（后者常稱為電離截面σ）122/18/2024.弛豫過程——二次過程(secondaryprocess)終態(tài)離子(A+*)高激發(fā)態(tài)自發(fā)發(fā)生非輻射弛豫輻射弛豫穩(wěn)定狀態(tài)1X熒光過程(輻射弛豫)A+*→A++hv′(特征X射線)2俄歇過程(非輻射弛豫)A+*→A++*+e?(分立能量—Auger)(俄歇電子能量并不依賴于激發(fā)源的能量和類型)2/18/2024.電離過程X熒光過程俄歇過程2/18/2024.二.結(jié)合能與化學(xué)位移結(jié)合能：初態(tài)原子和終態(tài)原子間能量的簡單差EB=Ef(n-1)–Ei(n)

初態(tài)效應(yīng)：光電發(fā)射之前原子的基態(tài)對結(jié)合能的影響

化學(xué)位移：原子因所處化學(xué)環(huán)境不同而引起的內(nèi)殼層電子結(jié)合能變化在譜圖上表現(xiàn)為譜峰的位移

原子化學(xué)環(huán)境：一、指與它相結(jié)合的元素種類和數(shù)量不同二、指原子具有不同的化學(xué)價(jià)態(tài)（初態(tài)效應(yīng)是化學(xué)位移的主要原因）例1：Al0EB(2p)=72.7eVAl+3EB(2p)=74.7eVΔEB=2ev2/18/2024.例2：三氟醋酸乙酯中C1s軌道電子結(jié)合能位移聚合物中碳C1s軌道電子結(jié)合能大小順序C?C<C?O<C=O<O?C=O<O?(C=O)?O2/18/2024.兩種模型原子勢能模型：EB=Vn+Vv

Vn--核勢Vv--價(jià)電子排斥勢電荷勢模型：2/18/2024.三.原子能級(jí)的劃分原子中單個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以用量子數(shù)n，ι，,

n：主量子數(shù)（表示電子層）1,2,3……即K,L,M……ι：角量子數(shù)（決定電子云形狀）s,p,d,f:磁量子數(shù)(決定電子云伸展方向):自旋量子數(shù)與上述3個(gè)量子數(shù)無關(guān)，?。?或者－?。2/18/2024.XPS譜圖分析中原子能級(jí)表示方法例：3代表主量子數(shù)(n)d代表角量子數(shù)（l）右下角分?jǐn)?shù)代表內(nèi)量子數(shù)（j）注：

對于ι＝0，j＝1/2。s軌道不發(fā)生分裂對于

ι>0，則j＝ι＋?或者ι－?。其他軌道均分裂為兩個(gè)能級(jí)：在XPS譜圖中出現(xiàn)雙峰。l為角量子數(shù)0，1,2,3……2/18/2024.例：Ag原子的3d5/2，3d3/2S能級(jí)的內(nèi)量子數(shù)j=?通常省略。C1s能級(jí)沒有分裂，用C1s表示2/18/2024.四.電子結(jié)合能(1)一個(gè)自由原子或者離子的結(jié)合能，等于將此電子從所在的能級(jí)轉(zhuǎn)移到無限遠(yuǎn)處所需要的能量(2)對于固體材料，電子的結(jié)合能定義為把電子從所在的能級(jí)轉(zhuǎn)移到費(fèi)米能級(jí)2/18/2024.W‘是儀器的功函數(shù)，一般在4eV左右，已知。是費(fèi)米能級(jí)。固體樣品通過樣品臺(tái)同儀器室接觸良好，并且一同接地。因此，它們具有相同的費(fèi)米能級(jí)2/18/2024.終態(tài)效應(yīng)：由電離過程中引起的各種激發(fā)產(chǎn)生的不同體系終態(tài)對電子結(jié)合能的影響五.分類終態(tài)效應(yīng)能量損失峰弛豫現(xiàn)象鬼峰激震（震激/震離）多重分裂俄歇峰2/18/2024.（一）能量損失峰

光電子的能量損失譜峰是由于光電子在穿過樣品表面時(shí)同原子（分子）發(fā)生非彈性碰撞、損失能量后在譜圖上出現(xiàn)的伴峰。2/18/2024.(二)弛豫效應(yīng)電子出射體系平衡場破壞其余軌道的電子將作重新調(diào)整，電子軌道半徑收縮或膨脹電子弛豫：

弛豫過程大體和光電發(fā)射同時(shí)進(jìn)行，所以弛豫使出射的光電子加速提高了光電子動(dòng)能。2/18/2024.(三)震激

因內(nèi)層形成空位，原子中心電位發(fā)生突然變化將引起外殼電子躍遷a:外層電子躍遷到更高能級(jí)，則稱為電子的震激(shake-up)b:外層電子躍過到非束縛的連續(xù)區(qū)而成為自由電子，則稱為電子的震離(shake-off)Ne震蕩和震離示意圖過程N(yùn)e的1s上一電子已被激發(fā)，一個(gè)2p上電子被激發(fā)到3p或被激發(fā)成自由