武汉工程大学：《无机非金属材料测试方法 Inorganic Nonmetal Material Testing Techniques》课程教学资源（PPT课件讲稿）第五章 X-射线光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectroscopy ESCA，XPS）

第五章X-射线光电子能谱(X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) ESCA)

第五章 X-射线光电子能谱(X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) ESCA)

概述 表面分析技术( Surface Analysis)是对材料外层(the Outer- Most Layers of Materials(<100A)的研究的 技术。包括: 01电子谱学( Electron Spectroscopies) X射线光电子能谱XPS: X-ray photoelectron Spectroscopy 俄歇能谱AES: Auger Electron Spectroscopy 电子能量损失谱EELS: Electron Energy Loss Spectroscopy

一 概述 表面分析技术 (Surface Analysis)是对材料外层(the Outer-Most Layers of Materials (<100 ))的研究的 技术。包括： 1 电子谱学(Electron Spectroscopies) X-射线光电子能谱 XPS: X-ray Photoelectron Spectroscopy 俄歇能谱 AES: Auger Electron Spectroscopy 电子能量损失谱 EELS: Electron Energy Loss Spectroscopy

02离子谱学 Ion Spectroscopies 二次离了质谱SMS: Secondary Ion Mass Spectrometry 溅贱射中性质谱SNMS: Sputtered Neutral Mass Spectrometry 离子扫描能谱ISS: Ion Scattering Spectroscopy

2 离子谱学 Ion Spectroscopies 二次离子质谱SIMS: Secondary Ion Mass Spectrometry 溅射中性质谱SNMS: Sputtered Neutral Mass Spectrometry 离子扫描能谱ISS: Ion Scattering Spectroscopy

XPS的概念 XPStHyESCA( Electron Spectroscopy for Chemical Analysis),是研究表面成分的重要手段 原理是光电效应( photoelectric effect)。1960s由 University of Uppsala, Sweden的 Kai Siegbahn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)

二 XPS的概念 XPS也叫ESCA（ Electron Spectroscopy for Chemical Analysis），是研究表面成分的重要手段。 原理是光电效应（photoelectric effect）。1960’s 由 University of Uppsala, Sweden 的Kai Siegbahn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）

Electrons are extracted only from a narrowsolid X-ray Beam angle. X-ray penetration depth-lum Electrons can be 10 nm excitedin this entire volume 1 mm2 X-ray excitation area-1x1 cm2. Electrons are emittedfrom this entire area

X-ray Beam X-ray penetration depth ~1mm. Electrons can be excited in this entire volume. X-ray excitation area ~1x1 cm2 . Electrons are emitted from this entire area Electrons are extracted only from a narrow solid angle. 1 mm2 10 nm

三光电效应( Photoelectric process) ●发射出的光电子 Ejected Photoelectron 光: Incident X-ray Free Electron Conduction Band Level Fermi Level Valence band 2●●●● 2s ●○ LI K

Conduction Band Valence Band L2,L3 L1 K Fermi Level Free Electron Level 光：Incident X-ray 发射出的光电子Ejected Photoelectron 1s 2s 2p 三 光电效应 （Photoelectric Process）

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(s,2s2p等所产生的XPS不同 被激发的电了能量可用下式表示: KE=hv-BE - spec 式中 hv=入射光子(X射线或UV)能量 h=Planck constant( 6.62 X 10-34Js) v- frequency(Hz) BE=电子键能或结合能、电离能( Electron Binding Energy KE=电子动能( Electron Kinetic Energy) Dpe=谱学功函数或电子反冲能( Spectrometer Work Function

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=Planck constant ( 6.62 x 10-34 J s ), v - frequency (Hz) BE=电子键能或结合能、电离能（Electron Binding Energy） KE=电子动能 （Electron Kinetic Energy） spec= 谱学功函数或电子反冲能 （Spectrometer Work Function）

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光电子能谙谱,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

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

四XPS的仪器 Instrumentation for XPs 1激发光源—X射线(软X射线;MgKa:hv=1253.6eV ;AIKa:h=14866eV)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- high vacuum chamber(UHV避免光电子与气体分子碰撞的干扰

1激发光源——X射线（软X射线；Mg Kα : hv = 1253.6 eV ；Al Kα : hv = 1486.6 eV）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-high vacuum chamber（ UHV避免光电子与气体分子碰撞的干扰。 四 XPS的仪器Instrumentation for XPS

XPS的仪器 Instrumentation for XPs Electron energy analyser X-ray source Sample chamber Pumps

XPS的仪器Instrumentation for XPS