【材料课件】五x射线光电子能谱

第五章X-射线光电子能谱(X-rayPhotoelectronSpectroscopy(XPS)ESCA)一概述表面分析技术(SurfaceAnalysis)是对材料外层(theOuter-MostLayersofMaterials(100))的研究的技术。包括：1电子谱学(ElectronSpectroscopies)X-射线光电子能谱XPS:X-rayPhotoelectronSpectroscopy俄歇能谱AES:AugerElectronSpectroscopy电子能量损失谱EELS:ElectronEnergyLossSpectroscopy2离子谱学IonSpectroscopies二次离子质谱SIMS:SecondaryIonMassSpectrometry溅射中性质谱SNMS:SputteredNeutralMassSpectrometry离子扫描能谱ISS:IonScatteringSpectroscopy二XPS的概念XPS也叫ESCA（ElectronSpectroscopyforChemicalAnalysis），是研究表面成分的重要手段。原理是光电效应（photoelectriceffect）。1960’s由UniversityofUppsala,Sweden的KaiSiegbahn等发展。EMPA中X射线穿透大，造成分析区太深。而由于电子穿透小，深层所产生的电子不出现干扰，所以可对表面几个原子层进行分析。（吸附、催化、镀膜、离子交换等领域）X-rayBeamX-raypenetrationdepth~1mm.Electronscanbeexcitedinthisentirevolume.X-rayexcitationarea~1x1cm2.ElectronsareemittedfromthisentireareaElectronsareextractedonlyfromanarrowsolidangle.1mm210nmConductionBandValenceBandL2,L3L1KFermiLevelFreeElectronLevel光：IncidentX-ray发射出的光电子EjectedPhotoelectron1s2s2p三光电效应（PhotoelectricProcess）1电磁波使内层电子激发，并逸出表面成为光电子，测量被激发的电子能量就得到XPS，不同元素种类、不同元素价态、不同电子层(1s,2s,2p等)所产生的XPS不同。2被激发的电子能量可用下式表示：KE=hv-BE-spec式中hv=入射光子（X射线或UV）能量h=Planckconstant(6.62x10-34Js),v-frequency(Hz)BE=电子键能或结合能、电离能（ElectronBindingEnergy）KE=电子动能（ElectronKineticEnergy）spec=谱学功函数或电子反冲能（SpectrometerWorkFunction）谱学功函数极小，可略去，得到KE=hv-BE：3元素不同，其特征的电子键能不同。测量电子动能KE，就得到对应每种元素的一系列BE-光电子能谱，就得到电子键能数据。4谱峰强度代表含量，谱峰位置的偏移代表价态与环境的变化-化学位移。1激发光源——X射线（软X射线；MgKα:hv=1253.6eV；AlKα:hv=1486.6eV）或UV；2电子能量分析器-对应上述能量的分析器，只可能是表面分析；3高真空系统：超高真空腔室super-highvacuumchamber（UHV避免光电子与气体分子碰撞的干扰。四XPS的仪器InstrumentationforXPSXPS的仪器InstrumentationforXPSXPS的仪器InstrumentationforXPS钯的XPS（XPSspectrumobtainedfromaPdmetalsampleusingMgKaradiation);主峰在330,690,720,910and920eV。将KE转换为BE，得到下页图-注意坐标左右颠倒。1.价带(4d,5s)出现在0-8eV。24p、4s能级出现在54、88eV。3.335eV的最强峰由3d能级引起。43p和3s能级出现在534/561eV和673eV。5.其余峰非XPS峰，而是Auger电子峰。例：试作出在MgKa(hn=1253.6eV)作用下Na的XPS示意谱图，Na的能级分布如右图。解：由KE=hv-BE,KE1s=(1253.6-1072)=182eVKE2s=(1253.6-64)=1190eVKE2p=(1253.6-31)=1223eV五俄歇电子能谱AES(AugerelectronSpectrocopy)光子作用下：K层电离；L层补充跃迁；能量使另一层L电子激发成AuE。即双级电离过程：A*+=A2++e-。AES特点：1受价态影响；2受结合态影响；3受表面势垒影响。与XPS相比，优点如下：1可用电子激发，并形成聚焦（XPS只能用X、UV）；2可扫描得到AuE象，直观反映表面；3电子束流可调小，使空间分辨率提高。六XPS（AES)的应用：1元素定性2定量分析3元素价态、结合态的研究。实例1：木乃依所用的颜料分析150145140135130BindingEnergy(eV)PbO2Pb3O45004003002001000BindingEnergy(eV)OPbPbPbNCaCNaClXPSanalysisshowedthatthepigmentusedonthemummywrappingwasPb3O4ratherthanFe2O3EgyptianMummy2ndCenturyADWorldHeritageMuseumUniversityofIllinois