湖南大学：《材料测试技术（材料X射线衍射与电子显微分析）》课程教学资源（PPT课件讲稿）第十四章 表面分析方法概论

第十四章表面分析方法概论 概述 X光电子能谱 俄歇电子能谱 扫描隧道显微镜(STM 与原子力显微镜(AFM) 山 2021/2/22 P

2021/2/22 HNU-ZLP 1 第十四章 表面分析方法概论 •概述 •X光电子能谱 •俄歇电子能谱 •扫描隧道显微镜(STM) 与原子力显微镜(AFM)

14.1概述 表面科学的主要发展始于20世纪60年代,它的 两个最主要的条件是: 一超高真空技术的发展 各种表面灵敏的分析技术不断出现 表面分析技术的发展与材料科学的发展密切相 关,它们相互促进: 八十年代,扫描探针显微镜(SPM的出现使(材料) 表面科学的研究发生了一个飞跃; LEED所用的LaB6灯丝,STM中用来防振荡的氟化 橡胶( Viton),AFM所用的探针等都是材料科学发 展的新产物。 2021/2/22 HSLP 2

2021/2/22 HNU-ZLP 2 14.1 概述 • 表面科学的主要发展始于20世纪60年代，它的 两个最主要的条件是： – 超高真空技术的发展 – 各种表面灵敏的分析技术不断出现 • 表面分析技术的发展与材料科学的发展密切相 关，它们相互促进： – 八十年代，扫描探针显微镜（SPM)的出现使（材料） 表面科学的研究发生了一个飞跃； – LEED所用的LaB6灯丝，STM中用来防振荡的氟化 橡胶（Viton)，AFM所用的探针等都是材料科学发 展的新产物

“表面”的概念 过去,人们认为固体的表面和体内是完 全相同的,以为研究它的整体性质就可 以知道它的表面性质,但是,许多实验 证明这种看法是错误的; 关于“表面”的概念也有一个发展过程, 过去将1厚度看成“表面”,而现在已把 1个或几个原子层厚度称为“表面”,更 厚一点则称为“表层”。 2021/2/22 HSLP

2021/2/22 HNU-ZLP 3 “表面”的概念 • 过去，人们认为固体的表面和体内是完 全相同的，以为研究它的整体性质就可 以知道它的表面性质，但是，许多实验 证明这种看法是错误的； • 关于“表面”的概念也有一个发展过程， 过去将1厚度看成“表面”，而现在已把 1 个或几个原子层厚度称为“表面”，更 厚一点则称为“表层

表面分析方法的特点 用一束“粒子”或某种手段作为探针来探测样 品表面,探针可以是电子、离子、光子、中性 粒子、电场、磁场、热或声波(机械力),在 探针作用下,从样品表面发射或散射粒子或波, 它们可以是电子、离子、光子、中性粒子、电 场、磁场、热或声波。检测这些发射粒子的能 量、动量、荷质比、束流强度等特征,或波的 频率、方向、强度、偏振等情况,就可获得有 关表面的信息。 2021/2/22 4

2021/2/22 HNU-ZLP 4 表面分析方法的特点 • 用一束“粒子”或某种手段作为探针来探测样 品表面，探针可以是电子、离子、光子、中性 粒子、电场、磁场、热或声波（机械力），在 探针作用下，从样品表面发射或散射粒子或波， 它们可以是电子、离子、光子、中性粒子、电 场、磁场、热或声波。检测这些发射粒子的能 量、动量、荷质比、束流强度等特征，或波的 频率、方向、强度、偏振等情况，就可获得有 关表面的信息

探测发射 分析方法名称简称 主要用途 粒子粒子 e|低能电子衍射 LEED 结构 e反射式高能电子衍射RHED结构 e俄歇电子能谱 AES 成份 e扫描俄歇探针 SAM 微区成份 e|电离损失谱 ILS 成份 能量弥散X射线谱 EDXS 成份 e e俄歇电子出现电势谱 AEAPS成份 Y软射线出现电势谱 SXAPS成份 e消隐电势谱 DAPS成份 e电子能量损失谱 EELS原子有电子态 I电子诱导脱附 ESD 吸收原子态及成份 e透射电子显微镜 TEM 形貌 e扫描电子显微镜 SEM 形貌 2122扫描透射电子显微镜STEM形貌 5

2021/2/22 HNU-ZLP 5 探测 粒子 发射 粒子 分析方法名称 简称 主要用途 e e 低能电子衍射 LEED 结构 e 反射式高能电子衍射 RHEED 结构 e 俄歇电子能谱 AES 成份 e 扫描俄歇探针 SAM 微区成份 e 电离损失谱 ILS 成份  能量弥散X射线谱 EDXS 成份 e 俄歇电子出现电势谱 AEAPS 成份  软X射线出现电势谱 SXAPS 成份 e 消隐电势谱 DAPS 成份 e 电子能量损失谱 EELS 原子有电子态 I 电子诱导脱附 ESD 吸收原子态及成份 e 透射电子显微镜 TEM 形貌 e 扫描电子显微镜 SEM 形貌 e 扫描透射电子显微镜 STEM 形貌

探测发射分析方法名称简称 主要用途 粒子粒子 eⅩ射线光电子谱XPS成份 e紫外线光电子谱UPS分子及固体的电子态 e同步辐射光电子谱SRS成份、原子及电子态 Y红外吸收谱 IR 原子态 Yy拉曼散射谱 RAMAN原子态 Y表面灵敏扩展X射| SEXAFS结构 线吸收谱细致结构 Y角分辨光电子谱ARPS原子及电子态、结构 I光子诱导脱附PSD原子态 e-电子y-光子I一离子 2021/2/22 6

2021/2/22 HNU-ZLP 6 探测 粒子 发射 粒子 分析方法名称 简称 主要用途  e X射线光电子谱 XPS 成份 e 紫外线光电子谱 UPS 分子及固体的电子态 e 同步辐射光电子谱 SRPES 成份、原子及电子态  红外吸收谱 IR 原子态  拉曼散射谱 RAMAN 原子态  表面灵敏扩展X射 线吸收谱细致结构 SEXAFS 结构  角分辨光电子谱 ARPES 原子及电子态、结构 I 光子诱导脱附 PSD 原子态 e－电子  －光子 I－离子

表中仅列出了探测粒子为电子和光子的 常用表面分析方法,此外还有离子、中 性粒子、电场、热、声波等各种探测手 段。这些方法各有其特点,而没有万能 的方法,针对具体情况,我们可以选择 其中一种或综合多种方法来分析。 2021/2/22 HSLP 7

2021/2/22 HNU-ZLP 7 • 表中仅列出了探测粒子为电子和光子的 常用表面分析方法，此外还有离子、中 性粒子、电场、热、声波等各种探测手 段。这些方法各有其特点，而没有万能 的方法，针对具体情况，我们可以选择 其中一种或综合多种方法来分析

142X射线光电子能谱(XPS) 2021/2/22

2021/2/22 HNU-ZLP 8 14.2 X射线光电子能谱（XPS）

、基本原理 X射线与物质相互作用时,物质吸收了X 射线的能量并使原子中内层电子脱离原子 成为自由电子,即Ⅹ光电子,如图1-1 对于气体分子,X射线能量hv用于三部分: 一部分用于克服电子的结合能Eb,使其激发 为自由的光电子; 一部分转移至光电子使其具有一定的动能E; 一一部分成为原子的反冲能E 02则h=Eb+E+E

2021/2/22 HNU-ZLP 9 一、基本原理 • X射线与物质相互作用时，物质吸收了X 射线的能量并使原子中内层电子脱离原子 成为自由电子，即X光电子，如图1－1。 • 对于气体分子，X射线能量h用于三部分： – 一部分用于克服电子的结合能Eb，使其激发 为自由的光电子； – 一部分转移至光电子使其具有一定的动能Ek； – 一部分成为原子的反冲能Er。 则 h＝ Eb＋ Ek ＋ Er

光电子(E x射线() 俄歌电子 .荧光X射线 图52光电效应过程 2021/2/22 10

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