光电子能谱分析精.ppt
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1、光电子能谱分析光电子能谱分析第1页,本讲稿共43页表面层:表面层:固体最外层固体最外层(1(110个原子个原子)。吸吸附附层层:吸吸附附在在表表面面层层上上面面的的原原子子、分子、离子或其他覆盖层。分子、离子或其他覆盖层。剥离出的新表面层:剥离出的新表面层:(内层内层剥离剥离)电电子子能能谱谱分分析析:是是一一种种研研究究物物质质表表面面的的性性质质和和状状态的态的表面分析表面分析方法。方法。5.15.1概概 述述1nm几nm (max10nm)o指用某种粒子(电子、离子、中性粒子、光子)做辐射源轰击样品,使样品受激放出二次粒子,测量这些二次粒子的能量和性质。o通过与已知元素的原子或离子的不同
2、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。第2页,本讲稿共43页表面分析的种类:表面分析的种类:简 写激发源二次粒子信号光电子能谱(常称X光电子能谱XPS)(XPS)X-ray Photoelectron SpectroscopyX-ray内壳层电子俄歇电子能谱(AES)Auger Electron Spectroscopy电子、X-rayAuger电子紫外光电子能谱(UPS)Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy;紫外光、电子价电子离子探针显微分析(SIMS)Secondary Ion Mass Specrometry离子离子
3、X光光电电子子能能谱谱或或称称电电子子能能谱谱化化学学分分析析(ESCA-Electron Spectroschemistry Analysis),是是用用X-ray作作激激发发源源轰轰击击出出样样品品元元素素的的内内层层电电子子,并并直直接接测测量量二二次次电电子子的的能能量量,这这种种能能量量表表现现为为元元素素内内层层电电子子结结合合能能EbEb随随元元素素而而不不同同,并且有较高分辨力,因此可用作元素分析。并且有较高分辨力,因此可用作元素分析。第3页,本讲稿共43页X光电子能谱分析的创立光电子能谱分析的创立XPS是是由由瑞瑞典典皇皇家家科科学学院院院院士士K.Siegbahn教教授授领
4、领导导的的研研究究小小组组创创立的,并于立的,并于19541954年年年年研制出世界上第一台光电子能谱仪。研制出世界上第一台光电子能谱仪。oNa2S2O3的XPS谱图有两个完全分离的S2p峰;oNa2SO4的XPS谱图有一个S2p峰;oNa2S2O3中的两个S原子(+6价和-2价)周围的化化学学环环境境不不同同,从而造成二者内层电子结合能显著不同。第4页,本讲稿共43页n表面层表面层(包括吸附层包括吸附层)的的化学成分化学成分(除氢元素以外)(除氢元素以外)。n表面层元素所处的表面层元素所处的原子状态、价态、分子结构原子状态、价态、分子结构等等信息。信息。n表面层物质的状态,如氧化态、腐蚀状态
5、、表面表面层物质的状态,如氧化态、腐蚀状态、表面反应生成物等。反应生成物等。表面分析可以得到的信息:表面分析可以得到的信息:第5页,本讲稿共43页5.2 5.2 光电子能谱的基本原理光电子能谱的基本原理能量关系可表示:原子的反冲能量忽略 (0.1eV)得电子结合能电子动能光电效应过程一、光与物质的相互作用若若hv该电子结合能该电子结合能Eb,则此电子将脱离原来受束缚的能级,则此电子将脱离原来受束缚的能级,剩余的光子能量转化为该电子的动能剩余的光子能量转化为该电子的动能Ek。第6页,本讲稿共43页光电子发射可以分为三个过程,即:光电子发射可以分为三个过程,即:电子因光吸收而激发;电子因光吸收而激
6、发;释放出的电子向固体表面移动;释放出的电子向固体表面移动;克服表面势场而射出克服表面势场而射出脱离固体表面。脱离固体表面。其中过程其中过程与电子的逸出深度和能量有关,而过程与电子的逸出深度和能量有关,而过程则与化学位移有关。则与化学位移有关。第7页,本讲稿共43页二、光电子能谱测量原理对固体样品,必须考虑晶体势场和表面势场对光电子的束缚作用,通常选取费米能级为 的参考点。0k时固体能带中充满电子的最高能级对孤立原子或分子,就是把电子从所在轨道移到真空需的能量,是以真空能级为能量零点的。电子由费米能级进入自由电子能级所需的能量,即克服功函数内层电子跃迁到费米能级所需的能量自由电子所具有的动能第
7、8页,本讲稿共43页功函数为防止样品上正电荷积累,固体样品必须保持为防止样品上正电荷积累,固体样品必须保持和谱仪的和谱仪的良好电接触良好电接触,两者费米能级一致。,两者费米能级一致。实际测到的电子动能为:仪器功函数可测定,已知第9页,本讲稿共43页由于化合物结构变化和元素氧化状态变化引起谱峰有规律的位移称为化学位移。化学位移现象起因及规律:化学位移现象起因及规律:o内层电子一方面受到原子核强烈库仑作用而具有一定结合能,另一方面又受到外层电子的屏蔽作用。o外层电子密度,屏蔽作用,内层电子结合能;o外层电子密度,屏蔽作用,内层电子结合能。o因此当被测原子的氧化价态增加,或与电负性大的原子结合时,都
8、导致其XPS峰将向结合能增加方向位移。三、化学位移第10页,本讲稿共43页(1)化学位移与元素电负性的关系化学位移与元素电负性的关系影响较大影响较大例如,例如,用卤族元素用卤族元素X取代取代CH4中的中的H卤族元素卤族元素X的电负性大于的电负性大于H的电负性的电负性造成造成C原子周围负电荷密度较未取代前有所降低原子周围负电荷密度较未取代前有所降低这时这时C的的1s电子同原子核结合更紧,电子同原子核结合更紧,即即C1s结合能提高。结合能提高。oC1s的结合能随的结合能随X取代数目的增加而增大;取代数目的增加而增大;oC1s的结合能还和电负性差成正比。的结合能还和电负性差成正比。结论:取代基的电负
9、性愈大,取代数愈多,它吸引电子后使碳原子变得更正,因而内层C1s电子结合能越大。第11页,本讲稿共43页(2)化学位移与原子氧化态的关系原子内壳层电子的原子内壳层电子的 结合能结合能 随随 原子氧化态原子氧化态 增高而增大;增高而增大;氧化态愈高,化学位移也愈大。氧化态愈高,化学位移也愈大。从从一一个个原原子子中中移移去去一一个个电电子子所所需需能能量量(Eb)随原子中正电荷增加而增加。随原子中正电荷增加而增加。(正电荷(正电荷,吸引电子能力,吸引电子能力,Eb )第12页,本讲稿共43页举例举例金属金属Be氧化氧化金属金属Be的的1s电子结合能为电子结合能为110eV。实测金属实测金属Be的
10、光电子能谱则有的光电子能谱则有分裂峰分裂峰分裂峰分裂峰,二者能量差,二者能量差2.9 0.leV。其中其中110.0eV的峰值对应的是金属的峰值对应的是金属Be(Bels),),另一能量稍大的峰值对应的是另一能量稍大的峰值对应的是BeO的的Bels。说明说明Be在氧化后,会使在氧化后,会使Bels电子的结合能增大。电子的结合能增大。注意:原子氧化态与结合能位移之间并不存在数值上的绝对关系,在测得某原子的结合能之后,还应当与标准数据或谱线对照,以便正确地得出各种氧化态与化学位移的对应关系。原子内壳层的电子结合能随化学环境而变化,反映在光电子能谱图上就是结合能谱线位置发生位移。第13页,本讲稿共4
11、3页一、光电子能谱仪主要由主要由激发光源激发光源、光电子能量分析器光电子能量分析器、探测和记探测和记录系统录系统及及真空系统真空系统等几部分组成。等几部分组成。5.3 5.3 光电子能谱实验技术光电子能谱实验技术第14页,本讲稿共43页XPS的仪器Instrumentation for XPS光电子能谱仪示意图第15页,本讲稿共43页Instrumentation for XPSInstrumentation for XPS光电子能谱仪照片第16页,本讲稿共43页1.激发光源电子能谱仪通常采用的激发源有三种:X射线源、真空紫外灯 和 电子枪。商品谱仪中将这些激发源组装在同一个样品室中,成为一个
12、多种功能的综合能谱仪。常用于电子能谱的常用于电子能谱的X X射线激发源射线激发源用于用于X光电子能谱的激发源是特征光电子能谱的激发源是特征X射线。射线。第17页,本讲稿共43页射线源XPS中中最最常常用用的的X射射线线源源主主要要由由灯灯丝丝、栅栅极极和和阳阳极极靶构成。靶构成。双阳极双阳极X X射线源示意图射线源示意图 要获得高分辨谱图和减少伴要获得高分辨谱图和减少伴峰的干扰,峰的干扰,可以采用射线单色器可以采用射线单色器来实现来实现。即用球面弯曲的石英晶。即用球面弯曲的石英晶体制成,能够使来自体制成,能够使来自X X射线源的射线源的光线产生衍射和光线产生衍射和“聚焦聚焦”,从,从而去掉伴线
13、和韧致辐射,并降而去掉伴线和韧致辐射,并降低能量宽度,提高谱仪的分辨低能量宽度,提高谱仪的分辨率。率。第18页,本讲稿共43页2.光电子能量分析器其作用是探测样品发射出来的不同能量电子的相对强度。其作用是探测样品发射出来的不同能量电子的相对强度。它必须在高真空条件下工作即压力要低于它必须在高真空条件下工作即压力要低于1010-3-3帕,以便尽量减少电子帕,以便尽量减少电子与分析器中残余气体分子碰撞的几率。与分析器中残余气体分子碰撞的几率。磁场式分析器半球形分析器筒镜分析器静电式分析器 光电子能量分析器第19页,本讲稿共43页半球形电子能量分析器 图图 半球形电子能量分析器示意图半球形电子能量分
14、析器示意图第20页,本讲稿共43页 筒镜形电子能量分析器 图图 镜筒分析器镜筒分析器示意图示意图第21页,本讲稿共43页3.检测器检测器通常为检测器通常为单通道电子倍增器单通道电子倍增器和和多通道倍增器多通道倍增器。光电子或俄歇电光电子或俄歇电子流子流倍增器倍增器通道电子倍增器是一种采用通道电子倍增器是一种采用连续连续倍增倍增电极表面(管状通道内壁涂电极表面(管状通道内壁涂一层高阻抗材料的薄膜)静电器一层高阻抗材料的薄膜)静电器件。内壁具有件。内壁具有二次发射二次发射性能。电性能。电子进入器件后在通道内子进入器件后在通道内连续倍增连续倍增,增益可达增益可达 109。多多通通道道检检测测器器是是
15、由由多多个个微微型型单单通通道道电电子子倍倍增增器器组组合合在在一一起起而而制制成成的的一一种种大大面面积积检检测测器器,也也称称位位敏敏检检测测器器(PSD)或多阵列检测器。)或多阵列检测器。第22页,本讲稿共43页4.真空系统电子能谱仪的真空系统有两个基本功能。电子能谱仪的真空系统有两个基本功能。o使样品室和分析器保持一定使样品室和分析器保持一定真空度真空度o使样品发射出来的电子使样品发射出来的电子的的平均自由程平均自由程相对于谱仪相对于谱仪内部尺寸内部尺寸足够大足够大o减少电子在运动过程中减少电子在运动过程中同残留气体分子同残留气体分子发生碰发生碰撞而损失信号强度撞而损失信号强度。o降低
16、活性残余气体的分压降低活性残余气体的分压。o因因在在记记录录谱谱图图所所必必需需时时间间内内,残残留留气气体体会会吸吸附附到到样样品品表表面面,甚甚至至可可能能和和样样品品发发生生化化学学反反应应,从从而而影影响响电电子子从从样样品品表表面面发发射射并并产产生生外外来来干扰谱线。干扰谱线。298K吸附一层气体分子所需时间吸附一层气体分子所需时间10-4Pa时为时为1秒;秒;10-7Pa时为时为1000秒秒12第23页,本讲稿共43页二、样品测定样品处理气体气体液体液体固体固体采用差分抽气的方法把气体引进样品采用差分抽气的方法把气体引进样品室直接进行测定室直接进行测定块块状状:直直接接夹夹或或粘
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