XPS原理及分析ppt课件.ppt
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1、有利于学习和创新的组织管理机制,创造充满活力的创新激励机制,以市场为导向,以顾客价值追求为中心的企业文化氛围,依赖既开放又相互信任的合作环境。X射线光电子能谱分析有利于学习和创新的组织管理机制,创造充满活力的创新激励机制,以市场为导向,以顾客价值追求为中心的企业文化氛围,依赖既开放又相互信任的合作环境。一、概述 X射线光电子谱是重要的表面分析技术之一。它不仅能探测表面的化学组成,而且可以确定各元素的化学状态,因此,在化学、材料科学及表面科学中得以广泛地应用。 X射线光电子能谱是瑞典Uppsala大学K.Siegbahn及其同事经过近20年的潜心研究而建立的一种分析方法。他们发现了内层电子结合能
2、的位移现象,解决了电子能量分析等技术问题,测定了元素周期表中各元素轨道结合能,并成功地应用于许多实际的化学体系,K.Siegbahn因此获1981诺贝尔奖。有利于学习和创新的组织管理机制,创造充满活力的创新激励机制,以市场为导向,以顾客价值追求为中心的企业文化氛围,依赖既开放又相互信任的合作环境。二、X射线光电子能谱分析的基本原理 电子能谱分析是一种研究物质表层元素组成与离子状态的表面分析技术,其基本原理是用单色射线照射样品,使样品中原子或分子的电子受激发射,然后测量这些电子的能量分布。通过与已知元素的原子或离子的不同壳层的电子的能量相比较,就可确定未知样品表层中原子或离子的组成和状态。有利于
3、学习和创新的组织管理机制,创造充满活力的创新激励机制,以市场为导向,以顾客价值追求为中心的企业文化氛围,依赖既开放又相互信任的合作环境。1、光电效应 当一束能量为h的单色光与原子发生相互作用,而入射光量子的能量大于原子某一能级电子的结合能时,发生电离: M + h= M*+ + e- 光电效应过程同时满足能量守恒和动量守恒,入射光子和光电子的动量之间的差额是由原子的反冲来补偿的。 光电效应的几率随着电子同原子核结合的加紧而很快的增加,所以只要光子的能量足够大,被激发的总是内层电子。外层电子的光电效应几率就会很小,特别是价带,对于入射光来说几乎是“透明”的。 有利于学习和创新的组织管理机制,创造
4、充满活力的创新激励机制,以市场为导向,以顾客价值追求为中心的企业文化氛围,依赖既开放又相互信任的合作环境。光电子动能: Ek= h- Eb-sp( sp是功函数)有利于学习和创新的组织管理机制,创造充满活力的创新激励机制,以市场为导向,以顾客价值追求为中心的企业文化氛围,依赖既开放又相互信任的合作环境。为某能级的电子对入射光子有效能量转换面积,也可表示为某能级的电子对入射光子有效能量转换面积,也可表示为一定能量的光子与原子作用时从某个能级激发出一个电子为一定能量的光子与原子作用时从某个能级激发出一个电子的几率的几率。与电子所在壳层的平均半径与电子所在壳层的平均半径r、入射光子频率、入射光子频率
5、n和原子序数和原子序数Z等因素有关。在入射光子能量一定的条件下,同一原子中半等因素有关。在入射光子能量一定的条件下,同一原子中半径越小的壳层径越小的壳层 越大;电子结合能与入射光子能量越接近越大;电子结合能与入射光子能量越接近 越越大。对不同原子同一壳层的电子,原子序数越大,光电效应大。对不同原子同一壳层的电子,原子序数越大,光电效应截面截面 越大。越大。34567891112元素元素LiBeBCNOFNaMg1.14.211224064100 195 266有利于学习和创新的组织管理机制,创造充满活力的创新激励机制,以市场为导向,以顾客价值追求为中心的企业文化氛围,依赖既开放又相互信任的合作
6、环境。 量子数表示电子运动状态量子数表示电子运动状态 : 电子能量主要(并非完全)取决于电子能量主要(并非完全)取决于 ; 电子能量电子能量 1, 2, 3, ;通常以通常以K(n=1), L(n=2),M(n=3)表示表示 相同的相同的 表示相同的电子壳层表示相同的电子壳层:决定决定电子云的几何形状电子云的几何形状;不同的;不同的 将电将电子壳层分成几个亚层,即子壳层分成几个亚层,即能级能级。与与 有关,给定有关,给定 后,后, 0, 1, 2,( 1);通常以通常以(l=0), (l=1), (l=2), (l=3), 表示表示 在给定壳层的能级上,在给定壳层的能级上, 电子能量略电子能量
7、略 2、原子能级的划分有利于学习和创新的组织管理机制,创造充满活力的创新激励机制,以市场为导向,以顾客价值追求为中心的企业文化氛围,依赖既开放又相互信任的合作环境。 :决定决定电子云在空间的伸展方电子云在空间的伸展方向向(取向取向); 给定给定 后,后, 取取+ 和和- 之间的任何整数,之间的任何整数, l, l-1, , 0, -1, , - l ; 若若 =0,则,则 =0;若;若 =1,则,则 =1,0,-1。:表示表示电子绕其自身轴的旋电子绕其自身轴的旋转取向转取向;与上述;与上述3个量子数无关。个量子数无关。有利于学习和创新的组织管理机制,创造充满活力的创新激励机制,以市场为导向,以
8、顾客价值追求为中心的企业文化氛围,依赖既开放又相互信任的合作环境。 电子的轨道运动和自旋运动间存在电磁相互作用,电子的轨道运动和自旋运动间存在电磁相互作用,即:即:自旋轨道耦合作用自旋轨道耦合作用的结果使其能级发生分的结果使其能级发生分裂,对裂,对 0的内壳层来说,这种分裂可用的内壳层来说,这种分裂可用j表示表示(j) 若若 ,则,则j ; 若若 ,则,则j 或或 ; 除除s亚壳层不发生自旋分裂外,凡亚壳层不发生自旋分裂外,凡 的各亚壳的各亚壳层都将分裂成两个能级层都将分裂成两个能级出现出现双峰双峰 有利于学习和创新的组织管理机制,创造充满活力的创新激励机制,以市场为导向,以顾客价值追求为中心
9、的企业文化氛围,依赖既开放又相互信任的合作环境。有利于学习和创新的组织管理机制,创造充满活力的创新激励机制,以市场为导向,以顾客价值追求为中心的企业文化氛围,依赖既开放又相互信任的合作环境。自旋轨道劈裂自旋轨道劈裂0132有利于学习和创新的组织管理机制,创造充满活力的创新激励机制,以市场为导向,以顾客价值追求为中心的企业文化氛围,依赖既开放又相互信任的合作环境。3、电子结合能 一个自由原子或离子的结合能,等于将此电子从所在的能级转移到无限远处所需的能量。 有利于学习和创新的组织管理机制,创造充满活力的创新激励机制,以市场为导向,以顾客价值追求为中心的企业文化氛围,依赖既开放又相互信任的合作环境
10、。 有利于学习和创新的组织管理机制,创造充满活力的创新激励机制,以市场为导向,以顾客价值追求为中心的企业文化氛围,依赖既开放又相互信任的合作环境。4、XPS信息深度 有利于学习和创新的组织管理机制,创造充满活力的创新激励机制,以市场为导向,以顾客价值追求为中心的企业文化氛围,依赖既开放又相互信任的合作环境。5、化学位移 同种原子由于处于不同的化学环境,引起内壳层电子结合能的变化,在谱图上表现为谱线的位移,这种现象称为化学位移。 所谓某原子所处化学环境不同,一是指与它结合的元素种类和数量不同,二是指原子具有不同的价态。 原子内壳层电子的结合能随原子氧化态的增高而增大;氧化态愈高,化学位移也愈大。
11、有利于学习和创新的组织管理机制,创造充满活力的创新激励机制,以市场为导向,以顾客价值追求为中心的企业文化氛围,依赖既开放又相互信任的合作环境。三、三、XPS装置 组成: x射线源射线源 样品台样品台 电子能量分析器电子能量分析器 电子探测和倍增器电子探测和倍增器 数据处理与控制数据处理与控制 真空系统真空系统核心部件:激发源;能量分析器;和电子探测器 有利于学习和创新的组织管理机制,创造充满活力的创新激励机制,以市场为导向,以顾客价值追求为中心的企业文化氛围,依赖既开放又相互信任的合作环境。仪器说明仪器说明仪器名称仪器名称:X射线光电子能谱仪 产品型号产品型号:Kratos AXIS Ultr
12、a DLD生产厂家生产厂家:日本岛津-KRATOS公司 有利于学习和创新的组织管理机制,创造充满活力的创新激励机制,以市场为导向,以顾客价值追求为中心的企业文化氛围,依赖既开放又相互信任的合作环境。要求:要求:能量足够激发芯电子层;能量足够激发芯电子层;强度产生足够的光电子通量;强度产生足够的光电子通量;线宽(线宽(决定决定XPS峰的半高宽峰的半高宽FWHM)尽量窄;)尽量窄;Mg、Al源源有利于学习和创新的组织管理机制,创造充满活力的创新激励机制,以市场为导向,以顾客价值追求为中心的企业文化氛围,依赖既开放又相互信任的合作环境。2种结构:种结构:筒镜分析器筒镜分析器CMA:点传输率很:点传输
13、率很高,有很高信噪比。高,有很高信噪比。XPS为提高为提高分辨率,将分辨率,将2个同轴筒镜串联个同轴筒镜串联同心半球分析器同心半球分析器CHA:两半球:两半球间的电势差产生间的电势差产生1/r2的电场,的电场,只只有选定能量的电子才能到达出口有选定能量的电子才能到达出口。前面放置一前面放置一透镜透镜或或栅极栅极电电子减速子减速电子动能可选定在电子动能可选定在一预设值(通道能量)一预设值(通道能量)提提高灵敏度高灵敏度有利于学习和创新的组织管理机制,创造充满活力的创新激励机制,以市场为导向,以顾客价值追求为中心的企业文化氛围,依赖既开放又相互信任的合作环境。半球形电子能量分析器半球形电子能量分析
14、器)(/E2112rrrrcceVbl改变V便可选择不同的EK,如果在球形电容器上加一个扫描电压,会对不同能量的电子具有不同的偏转作用,从而 有利于学习和创新的组织管理机制,创造充满活力的创新激励机制,以市场为导向,以顾客价值追求为中心的企业文化氛围,依赖既开放又相互信任的合作环境。四、xps谱图典型谱图横坐标:电子束缚能(能直接反映电子壳层/能级结构)或动能;eV纵坐标:cps(Counts per second),相对光电子流强度谱峰直接代表原子轨道的结合能有利于学习和创新的组织管理机制,创造充满活力的创新激励机制,以市场为导向,以顾客价值追求为中心的企业文化氛围,依赖既开放又相互信任的合
15、作环境。 典型谱图典型谱图Fe的清洁表面有利于学习和创新的组织管理机制,创造充满活力的创新激励机制,以市场为导向,以顾客价值追求为中心的企业文化氛围,依赖既开放又相互信任的合作环境。 典型谱图典型谱图 本征信号不强的本征信号不强的XPS谱图谱图中,往往有明显中,往往有明显“噪音噪音” 不完全是仪器导致不完全是仪器导致 可能是可能是信噪比太低信噪比太低,即,即待测元素含量太少待测元素含量太少 增加扫描次数、延长增加扫描次数、延长扫描时间扫描时间噪音噪音 注意:注意:谱图对比时测量谱图对比时测量参数必须一致。参数必须一致。扫描1次扫描3次涂膜玻璃的Si2p谱有利于学习和创新的组织管理机制,创造充满
16、活力的创新激励机制,以市场为导向,以顾客价值追求为中心的企业文化氛围,依赖既开放又相互信任的合作环境。1、xps光电子线及伴线A、光电子线 最强的光电子线常常是谱图中强度最大、峰宽最小、对称性最好的谱峰,称为xps的主线。每一种元素都有自己最强的、具有表征作用的光电子线,它是元素定性分析的主要依据。Ti及及TiO2中中2p3/2峰的峰位及峰的峰位及2p1/2和和2p3/2之间的距离之间的距离 有利于学习和创新的组织管理机制,创造充满活力的创新激励机制,以市场为导向,以顾客价值追求为中心的企业文化氛围,依赖既开放又相互信任的合作环境。B、俄歇线 原子中的一个内层电子光致原子中的一个内层电子光致电
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