中国科学技术大学：《X射线光电子能谱学 X-Ray Photoelectron Spectroscopy》课程教学课件（原理、方法和应用）第8章 在材料科学中的应用

中国斜学我术大草 University of Science and Technology of China 第8章在材料科学中的应用 在聚合物材料中的应用 在催化科学中的应用 ,在治金学中的应用 在材料物理学中的应用 在腐蚀科学中的应用

第8章 在材料科学中的应用 1. 在聚合物材料中的应用 2. 在催化科学中的应用 3. 在冶金学中的应用 4. 在材料物理学中的应用 5. 在腐蚀科学中的应用

8.0、XPS应用领域 由于PS能谱中包含着样品有关表面电子结构的重 要信息，用它可直接研究表面及体相的元素组成、 电子组态和分子结构。 ,PS可进行表面元素的定性和定量分析，元素组成 的选区和微区分析，非均相样品中元素组成的表 面分布分析和深度剖析，原子和分子的价带结构 分析，在某些情况下还可对元素的化学状态、分 子结构等进行研究。 PS的表面灵敏特性，样品处理的简单性和广泛的 适应性，非结构破坏性测试能力，以及可获得丰 富的化学信息的能力，是一种用途广泛的现代分 析实验技术和表面分析的有力工具。广泛应用于 科学研究和工程技术的诸多领域中。 中国绅学我术大学 niverstty of Science and Technology of Chin

8.0、XPS应用领域  由于XPS能谱中包含着样品有关表面电子结构的重 要信息，用它可直接研究表面及体相的元素组成、 电子组态和分子结构。  XPS可进行表面元素的定性和定量分析，元素组成 的选区和微区分析，非均相样品中元素组成的表 面分布分析和深度剖析，原子和分子的价带结构 分析，在某些情况下还可对元素的化学状态、分 子结构等进行研究。  XPS的表面灵敏特性，样品处理的简单性和广泛的 适应性，非结构破坏性测试能力，以及可获得丰 富的化学信息的能力，是一种用途广泛的现代分 析实验技术和表面分析的有力工具。广泛应用于 科学研究和工程技术的诸多领域中

XPS可提供： 原子浓度>0.1%的所有元素（除H,He外）的鉴别； 表面元素组成的半定量测定（误差<士10%）； y 亚单层灵敏度；探测深度1~10nm,依赖材料和实验参数； 优异的化学信息（化学位移和各种终态效应，以及完善的 标准化合物数据库)；关于分子环境的信息（氧化态、成 键状态、分子结构等)； ，来自震激跃迁（π→π*)的关于芳香的或不饱和烃的结构 信息； 使用价带谱的材料“指纹”和成键轨道的鉴别； 详细的电子结构和某些几何信息； ，样品内的元素深度分布剖析。 中国绅学我术大字 University of Science and Technology of China

XPS可提供：  原子浓度>0.1%的所有元素（除H, He外）的鉴别；  表面元素组成的半定量测定（误差<±10%）；  亚单层灵敏度；探测深度1～10 nm，依赖材料和实验参数；  优异的化学信息(化学位移和各种终态效应，以及完善的 标准化合物数据库)；关于分子环境的信息（氧化态、成 键状态、分子结构等）；  来自震激跃迁（p→p *）的关于芳香的或不饱和烃的结构 信息；  使用价带谱的材料“指纹”和成键轨道的鉴别；  详细的电子结构和某些几何信息；  样品内的元素深度分布剖析

由于XPS谱能提供材料表面丰富的物理、化学信 息，所以它在凝聚态物理学、电子结构的基本研 究、薄膜分析、半导体研究和技术、分凝和表面 迁移研究、分子吸附和脱附研究、化学研究（化 学态分析)、电子结构和化学键（分子结构)研 究、异相催化、腐蚀和钝化研究、分子生物学、 材料科学、环境生态学等学科领域都有广泛应用。 可提供的信息有样品的组分、化学态、表面吸附、 表面态、表面价电子结构、原子和分子的化学结 构、化学键合情况等。 中国斜草投术大室 niverstty of Science and Technology of Chin

 由于XPS谱能提供材料表面丰富的物理、化学信 息，所以它在凝聚态物理学、电子结构的基本研 究、薄膜分析、半导体研究和技术、分凝和表面 迁移研究、分子吸附和脱附研究、化学研究（化 学态分析）、电子结构和化学键（分子结构）研 究、异相催化、腐蚀和钝化研究、分子生物学、 材料科学、环境生态学等学科领域都有广泛应用。  可提供的信息有样品的组分、化学态、表面吸附、 表面态、表面价电子结构、原子和分子的化学结 构、化学键合情况等

表1-2表面分析在材料研究中的一些应用领域 表 面 界 面 薄 膜 (直接分析) (断裂或深度剖析) 深度剖析 分凝 分凝 层间扩散 扩散 扩散 离子注入 污染 脆化 化学反应层（钝化层等） 吸附 晶际腐蚀 蒸发层 氧化 烧结 保护涂层 催化 粘结 微电子器件 摩擦与磨损 复合材料 热分解（降解） 中国绅学我术大字 University of Science and Technology of China

基础应用研究领域 1.材料物理一健结构、表面电子态、固体的能带结构、合金的构成与 分凝、粘附(adhesion)、迁移(migration)与扩散； 2.基础化学一元素和分子分析、化学键、分子结构分析、氧化还原、 光化学； 3.催化科学一元素组成、活性、表面化学反应、催化剂中毒； 4.腐蚀科学一吸附、分凝、气体一表面反应、氧化、钝化； 5.材料化学—XPS是研究各种镀层、涂层和表面处理层（钝化层、保护 层等)的最有效手段，广泛应用于金属、高分子等材料的表面处理、金 属或聚合物的淀积、防腐蚀、抗磨、断裂等方面的分析。 6.微电子技术一电子能谱可对材料和工艺过程进行有效的质量控制和 分析，注入和扩散分析，因为表面和界面的性质对器件性能有很大影 响。 7.薄膜研究一如光学膜、磁性膜、超导膜、钝化膜、太阳能电池薄膜 等。层间扩散，离子注入。 中国绅学发术大学 niverstty of Science and Technology of China

基础应用研究领域 1. 材料物理——键结构、表面电子态、固体的能带结构、合金的构成与 分凝、粘附(adhesion)、迁移(migration)与扩散； 2. 基础化学——元素和分子分析、化学键、分子结构分析、氧化还原、 光化学； 3. 催化科学——元素组成、活性、表面化学反应、催化剂中毒； 4. 腐蚀科学——吸附、分凝、气体—表面反应、氧化、钝化； 5. 材料化学——XPS是研究各种镀层、涂层和表面处理层(钝化层、保护 层等)的最有效手段，广泛应用于金属、高分子等材料的表面处理、金 属或聚合物的淀积、防腐蚀、抗磨、断裂等方面的分析。 6. 微电子技术——电子能谱可对材料和工艺过程进行有效的质量控制和 分析，注入和扩散分析，因为表面和界面的性质对器件性能有很大影 响。 7. 薄膜研究——如光学膜、磁性膜、超导膜、钝化膜、太阳能电池薄膜 等。层间扩散，离子注入

应用XPS的工业领域 ,粘合Adhesion、 农业Agriculture、.汽车制造Automotive、 电池Battery、生物材料Biomaterials、生物医学Biomedical、 生物技术Biotechnology、罐装食品Canning、催化剂 Catalyst、.陶瓷Ceramic、.化学制品Chemical、计算机 Computer、.化妆品Cosmetics、电子工业Electronics、能 源Energy、环境Environmental、纤维织物Fabrics、.食品 Food、燃料电池Fuel cells、地质Geology、玻璃Glass、激 光Laser、照明Lighting、润滑Lubrication、磁存储 Magnetic storage、矿物学Mineralogy、.采矿Mining、纳米 技术Nanotechnology、.核能Nuclear、包装Packaging、绘 画Painting、纸张和木材Paper and wood、电镀Plating、 聚合物与塑料Polymer and plastic、印刷Printing、记录 Recording、半导体Semiconductor、.钢铁Steel、.纺织 Textiles、 薄膜涂层Thin-film coating、焊接Welding 中国绅学我术大字 Jniversity of Science and Technology of China

应用XPS的工业领域  粘合Adhesion、农业Agriculture、汽车制造Automotive、 电池Battery、生物材料Biomaterials、生物医学Biomedical、 生物技术Biotechnology、罐装食品Canning、催化剂 Catalyst、陶瓷Ceramic、化学制品Chemical、计算机 Computer、化妆品Cosmetics、电子工业Electronics、能 源Energy、环境Environmental、纤维织物Fabrics、食品 Food、燃料电池Fuel cells、地质Geology、玻璃Glass、激 光Laser、照明Lighting、润滑Lubrication、磁存储 Magnetic storage、矿物学Mineralogy、采矿Mining、纳米 技术Nanotechnology、核能Nuclear、包装Packaging、绘 画Painting、纸张和木材Paper and wood、电镀Plating、 聚合物与塑料Polymer and plastic、印刷Printing、记录 Recording、半导体Semiconductor、钢铁Steel、纺织 Textiles、薄膜涂层Thin-film coating、焊接Welding

XPS的典型应用 )分子取向 粘合；粘附 〉自组装分子单层构造取，催化；催化作用 向，浓度，厚度，覆盖界面构造 度问题 表面清洁度 变色表面的分析 ，腐蚀/氧化 ,逆向工程 ，表面偏析 表面改性 ，薄膜扩散 ，工艺过程监测 薄膜化学计量与层厚测 〉摩擦学 算 中国斜草投术大室

XPS的典型应用  分子取向  自组装分子单层构造取 向，浓度，厚度，覆盖 度问题  变色表面的分析  逆向工程  表面改性  工艺过程监测  摩擦学  粘合；粘附  催化；催化作用  界面构造  表面清洁度  腐蚀/氧化  表面偏析  薄膜扩散  薄膜化学计量与层厚测 算

8.1、聚合物材料分析 有机化合物与聚合物及生物材料主要由C、H、O、 N、S、P、卤素和其它一些金属等元素组成的各 种官能团构成，因此就必须能够对这些官能团进 行定性和定量的分析和鉴别。 C1s C-C 日H PET Spectrum c-8-0-4-4m 0=C-0C-0 Sat 257206 0 4 CHEMICAL SHIFT 中国绅学我术大学 University of Science and Technology of China

8.1、聚合物材料分析  有机化合物与聚合物及生物材料主要由C、H、O、 N、S、P、卤素和其它一些金属等元素组成的各 种官能团构成，因此就必须能够对这些官能团进 行定性和定量的分析和鉴别

(1)C1s结合能 ,对C元素来讲，与自身成键(C-C)或与H成键(C-D)时C1s 电子的结合能约为284.6eV。(常作为结合能参考) ，当用O原子来置换掉H原子后，对每一C-0键均可引起 C1s电子结合能有约1.5±0.2eV的化学位移。C-0-X中 X(除X=NO,外)的次级影响一般较小（仕0.4eV);X=NO,可 产生0.9eV的附加位移。0的次级影响(C-C-0)一般较 小(0.2e)。 卤素元素诱导向高结合能的位移可分为初级取代效应（即 直接接在C原子上)和次级取代效应（在近邻C原子上）俩部 分。对每一取代这些位移约为： 卤素 初级位移(eV) 次级位移(eV) F 2.9 0.7 CI 1.5 0.3 Br 1.0 <0.2 @ 中园绅学我术大学 niversity of Science and Technology of China

(1) C1s结合能 卤素 初级位移(eV) 次级位移(eV) F 2.9 0.7 Cl 1.5 0.3 Br 1.0 <0.2  对C元素来讲，与自身成键(C−C)或与H成键(C−H)时C1s 电子的结合能约为284.6eV。(常作为结合能参考）  当用O原子来置换掉H原子后，对每一C−O键均可引起 C1s电子结合能有约1.50.2eV的化学位移。C−O−X中 X(除X=NO2 外)的次级影响一般较小(0.4eV)；X=NO2 可 产生0.9eV的附加位移。 O的次级影响（C-C-O）一般较 小(～0.2eV)。  卤素元素诱导向高结合能的位移可分为初级取代效应(即 直接接在C原子上)和次级取代效应(在近邻C原子上)俩部 分。对每一取代这些位移约为: