《大学物理实验》课程教学资源（专家讲座PPT）X射线光电子能谱的物理学原理及其在表面分析中的应用

X射线光电子能谱的物理学 原理及其在表面分析中的应用

X射线光电子能谱的物理学 原理及其在表面分析中的应用

第2页 主要内容 >什么是“X射线光电子能谱XPS)” >XPS中涉及的物理学原理 >如何解读XPS >XPS在现代科研工作中的地位及作用

第 2 页 主要内容 Ø 什么是“X射线光电子能谱（XPS）” Ø XPS中涉及的物理学原理 Ø 如何解读XPS Ø XPS在现代科研工作中的地位及作用

第3页 1.什么是“X射线光电子能谱” Surface Spectroscopies Incident Beams Exit Beams Electrons Electrons Photons (E-M Waves)】 Photons(E-M Waves) lons lons Atoms/Molecules Atoms/Molecules Sample

第 3 页 1. 什么是“X射线光电子能谱

第4页 X射线光电子能谱(XPS,全称为X-ray e Photoelectron Spectroscopy)是一种基于光电 ionization 效应的电子能谱，它是利用X射线光子激发出物 potential 质表面原子的内层电子，通过对这些电子进行 N 能量分析而获得的一种能谱。 M 这种能谱最初是被用来进行化学分析，因此它 还有一个名称，即化学分析电子能谱(ESCA, 全称为Electron Spectroscopy for Chemical Analysis)

第 4 页 X射线光电子能谱（ XPS ，全称为X-ray Photoelectron Spectroscopy）是一种基于光电 效应的电子能谱，它是利用X射线光子激发出物 质表面原子的内层电子，通过对这些电子进行 能量分析而获得的一种能谱。 这种能谱最初是被用来进行化学分析，因此它 还有一个名称，即化学分析电子能谱（ ESCA， 全称为Electron Spectroscopy for Chemical Analysis）

第5页 √XPS是由瑞典Uppsala大学的K.Siegbahn及其同事历经近20年的 潜心研究于60年代中期研制开发出的一种新型表面分析仪器和方 法。鉴于K.Siegbahn教授对发展XPS领域做出的重大贡献，他被 授予1981年诺贝尔物理学奖。另外，他也被我校化学物理条聘为 名誉教授； XPS现象基于爱因斯坦于1905年揭示的光电效应，爱因斯担由于 这方面的工作被授予1921年诺贝尔物理学奖； X射线是由德国物理学家伦琴(Wilhelm Conrad Rǒntgen,Il845- 1923)于1895年发现的，他由此获得了1901年首届诺贝尔物理 学奖

第 5 页 ü XPS是由瑞典Uppsala大学的K. Siegbahn及其同事历经近20年的 潜心研究于60年代中期研制开发出的一种新型表面分析仪器和方 法。鉴于K. Siegbahn教授对发展XPS领域做出的重大贡献，他被 授予1981年诺贝尔物理学奖。 另外，他也被我校化学物理系聘为 名誉教授 ； XPS现象基于爱因斯坦于1905年揭示的光电效应，爱因斯坦由于 这方面的工作被授予1921年诺贝尔物理学奖； X射线是由德国物理学家伦琴（Wilhelm Conrad Röntgen，l845- 1923）于1895年发现的，他由此获得了1901年首届诺贝尔物理 学奖

第6页】 2.XPS中涉及的物理学原理 √X射线物理 √光电效应 √能量分析 √超高真空 √系统集成

第 6 页 2. XPS中涉及的物理学原理 ü X射线物理 ü 光电效应 ü 能量分析 ü 超高真空 ü 系统集成

第7页 2.1X射线物理 X射线起源于轫致辐射，可被认为是光电效应的逆过程，既： 电子损失动能→产生光子（仪射线） 原子核 慢电子 快电子 EK2 光子 EK -Ek2 =hv 因为原子的质量至少是电子质量的2000倍，我们可以把反冲原 子的能量忽略不计

第 7 页 2.1 X射线物理 X射线起源于轫致辐射，可被认为是光电效应的逆过程，既： 电子损失动能  产生光子(X射线) 快电子 原子核 慢电子 EK1 EK2 h 光子 EK1 EK 2   h 因为原子的质量至少是电子质量的 2000 倍，我们可以把反冲原 子的能量忽略不计

第8页 2.1X射线物理 射线管 104~1057 Laborquelle 上图：X射线管示意图； 下右图：现代商用型X射线源，X Anode 1 hv Al Folie Anode 2 Z22222 射线的出射窗采用很薄的铝箔材 料，厚度约为12μm,它可以阻 Filament2、 Filament 1 止X射线源中的散射电子的通过 Fokus ，同时还可滤去相当部分的轫致 Kuhlung 辐射所形成的X射线本底

第 8 页 2.1 X射线物理 上 图：X射线管示意图； 下右图：现代商用型X射线源，X 射线的出射窗采用很薄的铝箔材 料，厚度约为1~2m，它可以阻 止X射线源中的散射电子的通过 ，同时还可滤去相当部分的轫致 辐射所形成的X射线本底。 Anode 1 Anode 2 h Al Folie e- Filament 2 Filament 1 Kühlung Fokus Laborquelle 104 ~105 V - +

第9页 2.1X射线物理 加速电压35000伏 钼靶 度 、 max 典型的X射线谱表现为在连续谱【白光X射线)上出现迭加的 标识峰（特征X射线），其对应的波长表征着靶物质的特性。可以 根据靶原子原子结构的量子描述来解释这些特征X射线谱线。 靶材不变时，改变加速电压V,则X射线连续谱的Vmax改变， 但标识X射线频率却不变； 改变靶材时，加速电压V不变，特征人射线谱的峰位将发生改 变，但X射线连续谱的Vmax不变

第 9 页 2.1 X射线物理  max  强 度 加速电压 35000 伏 钼靶 典型的X 射线谱表现为在连续谱（白光X 射线）上出现迭加的 标识峰（特征X 射线），其对应的波长表征着靶物质的特性。可以 根据靶原子原子结构的量子描述来解释这些特征 X 射线谱线。 靶材不变时，改变加速电压V ，则 X 射线连续谱的max 改变， 但标识 X 射线频率却不变； 改变靶材时，加速电压 V 不变，特征 X 射线谱的峰位将发生改 变，但 X 射线连续谱的 max 不变

第0项 2.1X射线物理 X-rays X-rays Monochromator Source 0.4eV Characteristic X-ray (X) AlK,characteristic only High resolution XPS +satellites (S)+background (B)

第 10 页 2.1 X射线物理 Monochromator