第四章X射线光电子能谱-XPS

1、 X X射线能谱分析射线能谱分析 1887年，海因里希鲁道夫赫兹发现了光电效应. 历史沿革历史沿革 1905年，爱因斯坦解释了该现象。 1907年，P.D. Innes用伦琴管、亥姆霍兹线圈、电子能量分析仪和照像平版做实验 来记录宽带发射电子和速度的函数关系，他的实验记录了人类第一条X射线光电子 能谱。 1909年亨利莫塞莱、罗林逊和罗宾逊等人则分别独立进行了多项实验，试图研 究这些宽带所包含的细节内容。 历史沿革历史沿革 第二次世界大战后瑞典物理学家凯西格巴恩研究小组在研发XPS设备中获得 了多项重大进，1967年之后的几年间，西格巴恩就XPS技术发表了一系列学术成 果，使XPS的应用被世人

2、所公认。在与西格巴恩的合作下，美国惠普公司于1969 年制造了世界上首台商业单色X射线光电子能谱仪。1981年西格巴恩获得诺贝尔 物理学奖，以表彰他将XPS发展为一个重要分析技术所作出的杰出贡献。 X射线光电子能谱分析射线光电子能谱分析 电子能谱分析是一种研究物质表层元素组成与离子状态的电子能谱分析是一种研究物质表层元素组成与离子状态的表面分析技术表面分析技术。 其基本原理是利用单色射线照射样品，使样品中原子或者分子的电子受激其基本原理是利用单色射线照射样品，使样品中原子或者分子的电子受激 发射，然后测量这些电子的能量分布。发射，然后测量这些电子的能量分布。 通过与已知元素的原子或者离子的不同

3、壳层的电子的能量相比较，就可通过与已知元素的原子或者离子的不同壳层的电子的能量相比较，就可 以确定未知样品中原子或者离子的组成和状态。以确定未知样品中原子或者离子的组成和状态。 X射线射线 电子电子电子电子 被测样品被测样品 一般认为，表层的信息深度为表层的信息深度为10 nm左左 右右。如果利用深度剖析技术如离子束溅 射等，可以对样品进行深度分析。 常用的电子能谱技术有：常用的电子能谱技术有： X射线光电子能谱分析（射线光电子能谱分析（XPS） 俄歇电子能谱分析（俄歇电子能谱分析（AES） 紫外光电子能谱分析（紫外光电子能谱分析（UPS） 等等。等等。 数据处理数据处理 系统系统 能量能量

4、分析器分析器 探测器探测器 X射线源射线源 AlK 或或MgK 超高真空系统超高真空系统 优于优于10-9mbar 光电子光电子 样品样品 电子能谱仪主要由电子能谱仪主要由激发源激发源、电子能量分析器电子能量分析器、探测电子的、探测电子的监测器监测器和和真空系统真空系统等等几个几个 1.1 1.1 激发源激发源 电子能谱仪通常采用的激发源有三种：电子能谱仪通常采用的激发源有三种：X X射线源射线源、真真 空紫外灯空紫外灯和和电子枪电子枪。商品谱仪中将这些激发源组装在。商品谱仪中将这些激发源组装在 同一个样品室中，成为一个多种功能的综合能谱仪。同一个样品室中，成为一个多种功能的综合能谱仪。 电子

5、能谱常用激发源电子能谱常用激发源 1.1.11.1.1射线源射线源 XPSXPS中最常用的中最常用的X X射线源射线源 主要由灯丝、栅极和阳主要由灯丝、栅极和阳 极靶构成极靶构成。 要获得高分辨谱图和减少要获得高分辨谱图和减少 伴峰的干扰，可以采用射伴峰的干扰，可以采用射 线单色器来实现。即用球线单色器来实现。即用球 面弯曲的石英晶体制成，面弯曲的石英晶体制成， 能够使来自能够使来自X X射线源的光射线源的光 线产生衍射和线产生衍射和“聚焦聚焦”， 从而去掉伴线和韧致辐射，从而去掉伴线和韧致辐射， 并降低能量宽度，提高谱并降低能量宽度，提高谱 仪的分辨率。仪的分辨率。 双阳极双阳极X X射线源

6、示意图射线源示意图 U P S 光光 源源 的的 光光 子子 能能 量量 气气 体体 I (e V )II (e V ) H e2 1 .2 24 0 .8 1 N e1 6 .8 52 6 .9 1 1 6 .6 72 6 .8 1 A r11 .8 3 11 .6 2 HL y m a n 1 0 .2 0 1.1.21.1.2紫外光源紫外光源 紫外光电子能谱仪中使用的紫外光电子能谱仪中使用的 高强度单色紫外线源常用稀高强度单色紫外线源常用稀 有气体的放电共振灯提供有气体的放电共振灯提供。 UPSUPS中的中的HeIHeI气体放电灯示意图气体放电灯示意图 1.1.31.1.3电子源电子源

7、电子通常由金属的热发射过程得到。电子束具有可以聚电子通常由金属的热发射过程得到。电子束具有可以聚 焦、偏转、对原子的电离效率高、简单易得等优点，在焦、偏转、对原子的电离效率高、简单易得等优点，在 电子能谱中，电子束主要用于俄歇电子能谱仪，因用电电子能谱中，电子束主要用于俄歇电子能谱仪，因用电 子枪作激发源得到的俄歇电子谱强度较大子枪作激发源得到的俄歇电子谱强度较大。 常用于常用于AESAES的一种电子枪的一种电子枪 1.2 1.2 电子能量分析器电子能量分析器 电子能量分析器其作用是探测样品发射出来的不同能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。它必须在高真空条件下工

8、作即压量电子的相对强度。它必须在高真空条件下工作即压 力要低于力要低于1010-3 -3帕，以便尽量减少电子与分析器中残余气 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。体分子碰撞的几率。 磁场式分析器磁场式分析器 半球形分析器半球形分析器筒镜分析器筒镜分析器 静电式分析器静电式分析器 电子能量分析器电子能量分析器 半球形电子能量分析器半球形电子能量分析器 半球形分析器示意图半球形分析器示意图 筒镜形电子能量分析器筒镜形电子能量分析器 筒镜分析器示意图筒镜分析器示意图 1.3 1.3 检测器检测器 检测器通常为单通道电子倍增器和多通道倍增器检测器通常为单通道电子倍增器和多通道倍增器

9、 光电子或俄歇电光电子或俄歇电 子流子流A1010 -9-13 倍增器倍增器 1A10 -4 通道电子倍增器是通道电子倍增器是 一种采用连续倍增电极一种采用连续倍增电极 表面（管状通道内壁涂表面（管状通道内壁涂 一层高阻抗材料的薄膜）一层高阻抗材料的薄膜） 静电器件。内壁具有二静电器件。内壁具有二 次发射性能。电子进入次发射性能。电子进入 器件后在通道内连续倍器件后在通道内连续倍 增，增益可达增，增益可达 10 109 9 。 多通道检测器是由多多通道检测器是由多 个微型单通道电子倍个微型单通道电子倍 增器组合在一起而制增器组合在一起而制 成的一种大面积检测成的一种大面积检测 器，也称位敏检测

10、器器，也称位敏检测器 （PSDPSD）或多阵列检）或多阵列检 测器测器。 1.4 1.4 真空系统真空系统 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。 1 1、使样品室和分析、使样品室和分析 器保持一定的真空器保持一定的真空 度，以便使样品发度，以便使样品发 射出来的电子的平射出来的电子的平 均自由程相对于谱均自由程相对于谱 仪的内部尺寸足够仪的内部尺寸足够 大，减少电子在运大，减少电子在运 动过程中同残留气动过程中同残留气 体分子发生碰撞而体分子发生碰撞而 损失信号强度。损失信号强度。 2 2、降低活性残余气体的分、降低活性残余气体的分 压。因在记录谱图所必需的

11、压。因在记录谱图所必需的 时间内，残留气体会吸附到时间内，残留气体会吸附到 样品表面上，甚至有可能和样品表面上，甚至有可能和 样品发生化学反应，从而影样品发生化学反应，从而影 响电子从样品表面上发射并响电子从样品表面上发射并 产生外来干扰谱线。产生外来干扰谱线。 298K298K吸附一层气体分子所需时吸附一层气体分子所需时 间间1010-4 -4Pa Pa时为时为1 1秒；秒；1010-7 -7Pa Pa时为时为 10001000秒秒 1.5 1.5 样品处理样品处理 电子能谱仪原则上可以分析固体、气体和液体样品。电子能谱仪原则上可以分析固体、气体和液体样品。 气化气化冷冻冷冻 气体气体 液体

12、液体 固体固体 采用差分抽气的方法把气体采用差分抽气的方法把气体 引进样品室直接进行测定引进样品室直接进行测定 块状：直接夹在或粘在样品托块状：直接夹在或粘在样品托 上在样品托上；粉末：可以粘上在样品托上；粉末：可以粘 在双面胶带上或压入铟箔（或在双面胶带上或压入铟箔（或 金属网）内，也可以压成片再金属网）内，也可以压成片再 固定在样品托上。固定在样品托上。 （1 1）真空加热；）真空加热； （2 2）氩离子刻蚀。）氩离子刻蚀。 校正或消除样校正或消除样 品的荷电效应品的荷电效应 电中和法、电中和法、 内标法和外内标法和外 标法标法 2.X2.X射线光电子能谱分析的基本原理射线光电子能谱分析的

13、基本原理 样品受到样品受到X射线辐照后，发射出光电射线辐照后，发射出光电 子，被探测器收集后经过计算机处理，子，被探测器收集后经过计算机处理， 得到该样品的得到该样品的XPS能谱图。能谱图。 1954年，瑞典皇家科学院院士、Uppsala(乌普萨拉) 大学 物理研究所所长K. Siegbahn(凯西格巴恩) 教授研制出世 界上第一台Photoelectron Spectroscopy (XPS)。此后， 精确测定了元素周期表中各种原子的内层电子结合能。 1981年年Siegbahn教授获得了诺贝尔物理奖教授获得了诺贝尔物理奖 但是，直到1960年代，人们在硫代硫酸钠的研究中 发现S原子周围化学

14、环境的不同，会引起S内层电子 结合能（S2p）的显著差异后，才引起人们的广泛注 意。因为：原子内层结合能的变化可以提供分子结原子内层结合能的变化可以提供分子结 构、原子价态方面的信息构、原子价态方面的信息。 此后，XPS在材料研究的不同领域内得到了广泛的 应用。 X射线光电子能谱分析的基本原理射线光电子能谱分析的基本原理 光电效应光电效应： 如右图示，原子中不同能级 上的电子具有不同的结合能。当 一束能量为h的入射光子与样品 中的原子相互作用时，单个光子 把全部能量交给原子中某壳层（ 能级）上一个受束缚的电子。如 果光子的能量大于电子的结合能 E和功函数，电子将脱离原来受 束缚的能级，剩余的能

15、量转化为 该电子的动能。这个电子最后以这个电子最后以 一定的动能从原子中发射出去，一定的动能从原子中发射出去， 成为自由电子；原子本身则成为成为自由电子；原子本身则成为 激发态的离子激发态的离子。 X射线射线(h ) 光电子光电子(e-) Ek = hEb XPS方法的基础是爱因斯坦光电定律，对于自由分子 和原子，应有： Ek = hEb 式中 h 入射光子能量（已知值） Ek 光电过程中发射的光电子的动能（测定值） E Eb b 内壳层束缚电子的结合能（计算值）内壳层束缚电子的结合能（计算值） 谱仪的功函数（已知值） 一个自由原子或者离子的结合能，等于将此电子从所在的能级转移到无限远处所 需

16、要的能量。对于气体样品，如果样品室和谱仪制作材料的影响可以忽略，那么 电子的结合能Eb可以从光子的入射能量h以及测得的电子的动能Ek求出，即： kb EhE 对于固体材料，电子的结合能定义为把电子从所在的能级转移到费米能级（0K时 固体能带中充满电子的最高能级）所需要的能量。另外，固体中电子从费米能级 跃迁到自由电子能级（真空能级）所需要的能量成为逸出功，即功函数。所以， 入射光子的能量h分为三部分：电子结合能Eb，逸出功Ws，自由电子的动能Ek。 所以： ksb EWhE 电子结合能电子结合能Eb： X射线光电子能谱分析的基本原理射线光电子能谱分析的基本原理 各种原子和分子的不同轨道的电子结

17、合能是一定的，具有标识性。因 此，只要借助XPS得到结合能Eb，就可以方便地定出物质地原子（元素 ）组成和官能团类别。 电子结合能更为精确地计算还应该考虑它地驰豫过程所产生地能量变 化。因为一个内壳层的电子被发射出去后，同时留下一个空位时，原子 中的其余电子，包括价电子将经受核静电吸引的突然变化，它们的分布 需要重新调整。这种重新调整的过程成为电子的驰豫过程。驰豫过程的 时间和内壳层电子发射的时间相当，因而驰豫过程必然对发射的电子产 生影响。 内壳层出现空穴后，原子中其他电子很快向带正电的空穴驰豫，于是 对发射的电子产生加速，所以原来定义的结合能Eb是中性原子的出台能 量E初和达到最后空穴态的

18、终态能量E终之差。与突然发生的过程相比，这 样测得的结合能要小一些。这个差别是由原子的驰豫能量造成的。虽然 考虑驰豫过程对分析图谱有帮助，但是相对来说，差别的数值不大，因 此有时可以忽略该差别。 X射线光电子能谱谱线强度反映原子的含量或 相对浓度。测定谱线强度便可进行定量分析定量分析。 X射线光电子能谱可分析除氢、氦以外的所 有元素，测量深度为几埃到几十埃，对多组分 样品，元素的检测限为0.1（原子分数）。 光电子特征峰 s壳层不发生自旋分裂 谱图上是单 峰 p,d,f壳层分裂成两个能级 在谱图上出 现双峰. 两峰的面积比一般为 2p1/2 2p3/2 = 1 2 3d3/2 3d5/2 =

19、2 3 4f5/2 4f7/2 = 3 4 406404402400398396394 2500 3000 3500 4000 4500 N1s Intensity / a.u. Binding Energy / eV s壳层不发生自旋分裂 谱图上是单峰 10501040103010201010 26000 28000 30000 32000 34000 36000Zn2p3/2 Zn2p1/2 Intensity / a.u. Binding Energy / eV p壳层分裂成两个能级 在谱图上出现双峰. Ag3d3/2 Ag3d5/2 d壳层分裂成两个能级 在谱图上出现双峰. 82807

20、87674727068666462 6000 8000 10000 12000 14000 16000 intensity / cps Binding Energy / eV Pt4f7/2 Pt4f5/2 f壳层分裂成两个能级 在谱图上出现双峰. (1)振激 ( Shake up ) (2) 振离 ( Shake off ) (3) 能量损失 ( Energy loss ) (4) X射线伴峰 (X-ray satellites ) (5) 多重分裂 (Multiplet splitting ) (6) 俄歇电子 (Auger electron ) (7)鬼峰（Ghost Lines） 在X

21、PS谱图中可以观察到的谱线出了主要的光电子线外，还有俄歇线、X射 线卫星线、鬼线、振激线和振离线、多重劈裂线和能量损失线等。 一般把强度最大的光电子线称为XPS谱图的主线，而把其他的谱线称为伴线 或者伴峰。研究伴峰不仅对正确解释谱图很重要，而且也能为分子和原子中电 子结构的研究提供主要信息。研究伴线的产生、性质和特征，对探讨化学键的研究伴线的产生、性质和特征，对探讨化学键的 本质是及其重要的，也是目前电子能谱学发展的一个重要方面。本质是及其重要的，也是目前电子能谱学发展的一个重要方面。 最强的光电子线是谱图中强度最强的光电子线是谱图中强度 最大、峰宽最小、对称性最好的最大、峰宽最小、对称性最好

22、的 谱峰，称为谱峰，称为XPS的主线。每一种的主线。每一种 元素都有自己的具有表征作用的元素都有自己的具有表征作用的 光电子线。所以，是元素定性分光电子线。所以，是元素定性分 析的主要依据。析的主要依据。 光电子线的谱线宽度来自于样光电子线的谱线宽度来自于样 品元素本质信号的自然宽度、品元素本质信号的自然宽度、X射射 线源的自然线宽、仪器以及样品线源的自然线宽、仪器以及样品 自身状况的宽化因素等四个方面自身状况的宽化因素等四个方面 的贡献。的贡献。 A、光电子线：、光电子线： 当原子的一个内层电子被X射线光电离而发射时, 由于原子的 有效电荷的突然变化导致一个外层电子跃迁到激发的束缚态. 外

23、层电子的跃迁导致发射光电子动能减小,其结果是在谱图主峰低其结果是在谱图主峰低 动能侧出现分立的伴峰动能侧出现分立的伴峰, ,伴峰同主峰之间的能量差等于带有一个 内层空穴的离子的基态同它的激发态之间的能量差. B、振激谱线、振激谱线 ： 易出现振激谱线 的情况： 具有未充满的d,f轨道的过渡金属化合 物和稀土化合物 具有不饱和侧链,或不饱和骨架的高聚物 某些具有共轭电子体系的化合物 原子的一个内层电子被X射线光电离而发射时, 由于原子的有效电荷 的突然变化导致一个外层电子激发到连续区(即电离). 其结果是在谱图其结果是在谱图 主峰的低动能端出现平滑的连续谱主峰的低动能端出现平滑的连续谱, , 在

24、连续谱的高动能端有一陡限在连续谱的高动能端有一陡限, 此 陡限同主峰之间的能量差等于带有一个内层空穴离子基态的电离电位. C、振离谱线、振离谱线 ： 振激和振离都会降低光电子的动能，从振激和振离都会降低光电子的动能，从 而在光电子的低动能端出现伴峰（振激）或而在光电子的低动能端出现伴峰（振激）或 者台阶（振离）。者台阶（振离）。 结论：结论： 光电子的能量损失谱线时由于光电子在穿过样品表面时同原子（分子）发生非光电子的能量损失谱线时由于光电子在穿过样品表面时同原子（分子）发生非 弹性碰撞、损失能量后在谱图上出现的伴峰。特征能量损失的大小同所分析的样弹性碰撞、损失能量后在谱图上出现的伴峰。特征能

25、量损失的大小同所分析的样 品有关。在固体中，能量损失线的形状非常复杂。品有关。在固体中，能量损失线的形状非常复杂。 对于金属，通常在光电子主峰的低动能端（高结合能端）的对于金属，通常在光电子主峰的低动能端（高结合能端）的520eV处观察到处观察到 主要损失峰，随后在谐波区间出现一系列次级峰。主要损失峰，随后在谐波区间出现一系列次级峰。 对于非导体，通常看到的是一个拖着尾巴的拖尾峰。对于非导体，通常看到的是一个拖着尾巴的拖尾峰。 D、能量损失线（、能量损失线（Energy Loss Lines） 由特征X射线主线以外的其它伴线产生的即用来照射样品的X射线并非单色光，因此除了X 射线的特征线可以激

26、发光电子外，X射线的卫星线也可以激发光电子。这样，在XPS谱图 中的光电子主线附近，出现X射线卫星峰。因为这些光电子具有较高的动能，所以他们经 常在低结合能端或者高动能端，强度较弱。 E、X射线卫星峰射线卫星峰 (X-ray satellites ) F、多重分裂、多重分裂 (Multiplet splitting ) 一般发生在基态有未成对电子的原子中，当价层能级有未成 对电子的原子内层光致电离而形成一个空穴后,空穴导致的内层未 成对电子同价层中未成对电子发生自旋相互作用(偶合),形成不同 终态离子结果在谱图上出现多重分裂峰. 往往出现多重分裂峰多重分裂峰 过渡金属过渡金属具有未充满 的d轨

27、道 稀土和锕系元素稀土和锕系元素具有 未充满的f轨道 当原子中的一个电子光致电离而发射之后,在内层留下一个 空穴,这时原子处于激发态.这种激发态离子要向低能转化而 发生弛豫 弛豫的方式 通过辐射跃迁释放能量,即X 射线荧光 通过非辐射跃迁使另一个电通过非辐射跃迁使另一个电 子激发成自由电子子激发成自由电子,即俄歇电即俄歇电 子子 G、俄歇电子峰俄歇电子峰 (Auger electron ) X射线激发光电子的原理图。射线激发光电子的原理图。 如左图示。当原子中的一个内层电子因X 射线的照射而发生光致电离发射出去后 ，在内层留下一个空位（原子变成了离 子，处于激发态）。激发态离子要向低 能转化发

28、生驰豫（Relaxation）： （1）通过辐射跃迁释放能量通过辐射跃迁释放能量（类似X射 线的产生），产生产生X射线荧光射线荧光。波长在X 射线区，能量为两个能级的能量差。 （2）通过非辐射跃迁使另一个电子激发通过非辐射跃迁使另一个电子激发 成为自由电子成为自由电子。此电子为俄歇电子。 注意看右图：俄歇电子发射是一个三能注意看右图：俄歇电子发射是一个三能 级过程。级过程。 在在XPS谱图中会观察到俄歇线。他们对谱图中会观察到俄歇线。他们对 结构的确定很有帮助。结构的确定很有帮助。 俄歇电子的发射俄歇电子的发射： 在在XPS谱图中可以观察到谱图中可以观察到KLL、LMM、 MNN和和NOO四个

29、内层型俄歇线系列。四个内层型俄歇线系列。 另外还有价型俄歇线，如：另外还有价型俄歇线，如：KVV、LVV、 LMV等。等。V表示价带能级。表示价带能级。 俄歇电子的发射俄歇电子的发射： 入射电子激发俄歇电子过程示意图入射电子激发俄歇电子过程示意图 俄歇电子的表示俄歇电子的表示 每一俄歇电子的发射都涉及每一俄歇电子的发射都涉及3个电子能级，故常以三壳层符号并列表个电子能级，故常以三壳层符号并列表 示俄歇跃迁和俄歇电子。示俄歇跃迁和俄歇电子。 （材料物理现代研究方法材料物理现代研究方法P183P183图图7-17-1） KL1L1L1M1M 1 L2, 3VV X射线激发的俄歇电子峰的特点 X射线

30、激发的俄歇电子峰多以谱线群谱线群的形 式出现. 俄歇电子的动能与激发源的能量无关激发源的能量无关. 俄歇电子峰的能量也能反映化学位移效应反映化学位移效应. 俄歇过程和俄歇电子能量俄歇过程和俄歇电子能量 WXYWXY跃迁产生的俄歇电跃迁产生的俄歇电 子的动能可近似地用子的动能可近似地用 经验公式估算，即：经验公式估算，即： )( )()( ZE ZEZEE Y XWWXY 原子序数原子序数 功功 函函 数数 WXY俄歇过程示意图俄歇过程示意图 另一表达式另一表达式 实验值在实验值在 和和 之间之间 2 1 4 3 俄歇电子俄歇电子 俄歇跃迁能量的另一表达式为：俄歇跃迁能量的另一表达式为： )1(

31、)( 2 1 )1()( 2 1 )( ZEZE ZEZEZEE YY XXWWXY 俄歇过程至少有两个能级和三个电子参与，所俄歇过程至少有两个能级和三个电子参与，所 以氢原子和氦原子不能产生俄歇电子。以氢原子和氦原子不能产生俄歇电子。(Z(Z 3)3)孤孤 立的锂原子因最外层只有一个电子，也不能产立的锂原子因最外层只有一个电子，也不能产 生俄歇电子，但固体中因价电子是共用的，所生俄歇电子，但固体中因价电子是共用的，所 以金属锂可以发生以金属锂可以发生 KVV KVV 型的俄歇跃迁。型的俄歇跃迁。 由于俄歇电子的动能与激发源无关，使用不同的激发源对同一个样品采 集谱线时在功能为横坐标的谱图里，

32、俄歇线的能量位置不变；在以结合能为 横坐标的谱图里，光电子线的能量位置不变，而俄歇线的位置发生了改变利 用这一点，在区分光电子线和俄歇线有困难时，可以利用换靶的方式区分。 另外，俄歇线也有化学位移，而且与光电子线的位移方向一致。有时候 鼓动性位移不明显时，可以利用俄歇线位移，对元素化学状态提供信息。 )( )()( ZE ZEZEE Y XWWXY ksb EWhE 状态变化状态变化CuCu2OZn ZnOMg MgOAg Ag2SO4In In2O3 光电子位移光电子位移/eV 俄歇线位移俄歇线位移/eV 0.1 2.3 0.8 4.6 0.4 6.4 0.2 4.0 0.5 3.6 XPS

33、 XPS谱图中有时会出现一些难以解释的光电子线，这是要考虑该线谱图中有时会出现一些难以解释的光电子线，这是要考虑该线 是否是鬼线。鬼线的来源是由于阳极靶材料不纯，含有微量的杂质。这是否是鬼线。鬼线的来源是由于阳极靶材料不纯，含有微量的杂质。这 时时X X射线不仅仅来自于阳极靶材料，还来自于杂质，或者是射线不仅仅来自于阳极靶材料，还来自于杂质，或者是X X射线的窗口射线的窗口 材料等。来自杂质元素的材料等。来自杂质元素的X X射线同样可以激发光电子，从而在射线同样可以激发光电子，从而在XPSXPS谱图上谱图上 ，出现彼此交错的光电子线，如同，出现彼此交错的光电子线，如同“幽灵幽灵”一样出没。因此

34、，在分析一样出没。因此，在分析 XPSXPS谱图时，如果遇到不能解释的光电子线，应该慎重。谱图时，如果遇到不能解释的光电子线，应该慎重。 H、鬼峰（、鬼峰（Ghost Lines） XPS 表面分析表面分析 （10） 深度分析深度分析 定性分析定性分析 定量分析定量分析 元素成分分析元素成分分析 元素化学态分析元素化学态分析 损伤深度分析损伤深度分析 非损伤深度分析非损伤深度分析 定性分析 鉴定物质的元素组成 ( 除H, He 以外 ), 混合物的成分分析 化学状态, 官能团分析 提供“原子指纹” ( 除H, He以外 ) 各种元素都有它的特征的电子结合能,在能 谱图中出现特征谱线.我们可以根

35、据这些谱 线在能谱图中的位置来鉴定元素的种类. 绝对灵敏度很高,达10-18g, 但相对灵敏度较低,一般只有0.1%左右. 所以XPS是一种很好的微量分析技术. 在能谱图中出 现特征谱线.我 们可以根据这 些谱峰的位置 （结合能） 来鉴定元素的 种类 在试验测定中往往发现，得到的结合能数据与原子的数据有偏差。或者说：谱 线有一定的位移，为结合能的位移。原因在于原子中的一个内壳层电子的Eb同时受 到核内电荷和核外电荷分布的影响。当这些电荷的分布发生变化时，就会引起Eb的 变化。同种原子由于所处的化学环境不同，引起内壳层电子的结合能的变化，在谱 图上表现为谱线的位移。它实质上是结合能的变化值。 化

36、学环境的不同含义为化学环境的不同含义为: (1) 与它结合的元素种类核数量不同；与它结合的元素种类核数量不同； （2）原子具有不同的价态。）原子具有不同的价态。 化学位移化学位移：由于化合物结构的变化和元素氧化状态的变化引起谱峰有规律的位移称为化由于化合物结构的变化和元素氧化状态的变化引起谱峰有规律的位移称为化 学位移。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 内层电子一方面受到原子核强烈的库仑作用而具有一定的结合能，另一方面又受到内层电子一方面受到原子核强烈的库仑作用而具有一定的结合能，另一方面又受到 外层电子的屏蔽作用。当外层电子密度减少时，屏蔽作用将减弱，内层电子的结合能增

37、外层电子的屏蔽作用。当外层电子密度减少时，屏蔽作用将减弱，内层电子的结合能增 加；反之则结合能将减少。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加；反之则结合能将减少。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，都导致其时，都导致其XPS峰将向结合能的增加方向位移。峰将向结合能的增加方向位移。 元素化学态分析 对同一元素，当化 学环境不同时，谱 峰出现化学位移。 如图所示的Si2p谱线，尽管是同一种元素，由于所处的化学环境不同，结合能有所位移 引起原子中电子结合能化学位移 的原因有原子价态的变化，原子与不 同电负性的元素结合等等。其中，与 其结合的元素的电负性对化学位移

38、的 影响最大。 例如：用卤族元素取代CH4中的H，由 于卤族元素X的电负性大于H的电负性， 造成C原子周围的负电荷密度较未取 代前有所降低，这时C的1s电子同原 子核结合更为紧密。因此C1s的结合 能会提高。 所以，C1s的结合能随着X取代数目的 增加而增加；并且与电负性差（Xi XH）成正比。借助于XPS谱图以及 元素的电负性可以分析元素或者离子 之间的结合状态。 图中给出了三氟醋酸乙脂中图中给出了三氟醋酸乙脂中C1s 轨道电子结合能的位移。轨道电子结合能的位移。 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： 电负性: OSH N1s结合能值: -NO2-SO2NH- 化学位移与

39、元素电负性的关系：化学位移与元素电负性的关系： 电负性: OSH N1s结合能值: NO3NO2NH2 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： 电负性 FOCH 四个碳原子在分 子中所处的化学 环境不同所以在 谱图上出现四个 位移不同的C1s峰 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： 当某元素的原子处于不同的氧化态时，它的结合能也会发生变化。当某元素的原子处于不同的氧化态时，它的结合能也会发生变化。以金属铍的氧化过以金属铍的氧化过 程为例。程为例。 Be1s的的XPS谱图谱图 化学位移与原子氧化态的关系：化学位移与原子氧化态的关系： 从图可知：从图可知：Be

40、氧化为氧化为BeO后，后，Be的的1s结合能变大。如果结合能变大。如果Be与与F结合为结合为BeF2，由于，由于F的的 电负性大于电负性大于O的电负性，则的电负性，则BeF2中中Be的的1s结合能的位移更大。结合能的位移更大。 因此可以初步得到结论：因此可以初步得到结论：原子内壳层电子原子内壳层电子 的结合能随着氧化态的增高而增大。氧化的结合能随着氧化态的增高而增大。氧化 态愈高，化学位移愈大。态愈高，化学位移愈大。原子内壳层的电原子内壳层的电 子结合能随着化学环境的变化而变化，表子结合能随着化学环境的变化而变化，表 现在现在XPS谱图上就是结合能谱线位置发生谱图上就是结合能谱线位置发生 位移，其强度与原子所在的不同结构（化位移，其强度与原子所在的不同结构（化 学环境）的数目有关。可以设想，原子氧学环境）的数目有关。可以设想，原子氧 化态和结合能的位移有如下关系：从一个化态和结合能的位移有如下关系：从一个 原子中移去一个电子所需要的能量，将随原子中移去一个电子所需要的能量，将随 着原子中正电荷的增加，或者负电荷的减着原子中正电荷的增加，或者负电荷的减 少而增加。但是，应该注意：原子氧化态少而增加。但是，应该注意：原子氧化态 与结合能位移不存在数值上的绝对关系。与结合能位移不存在数值上的绝对关系。 因此，需要测定结合能后与标准谱线对照因此，需要测定结合能后与标准谱线对照 ，以