XPS原理使用分析

1、X射线光电子能谱分析XPSXPSX-rays Photoelectron SpectroscopyESCAElectron Spectroscopy for Chemical Analysis1.X射线光电子能谱仪发展历史爱因斯坦：光电效应 50年代，K.Siegbahn研制成功XPS谱仪 60年代，发展成为商用仪器 主要：PHI公司，VG公司，Karatos 公司 发展方向：单色化，小面积，成像XPS一、概述2.仪器功能与特点：（1）定性分析-根据测得的光电子动能可以确定表面存在哪些元素。灵敏度约0.1at%。（2）定量分析-根据具有某种能量的光电子的强度可知某种元素在表面的含量。误差约20

2、%。（3）根据某元素光电子动能的位移可了解该元素所处的化学状态，有很强的化学状态分析功能有很强的化学状态分析功能。（4）由于只有距离表面几个纳米范围的光电子可逸出表面，因此信息反映材料表面几个纳米厚度层的状态。（5）结合离子溅射可以进行深度分析。（6）对材料无破坏性。（7）由于X射线不易聚焦, 照射面积大,不适于微区分析。一、概述1.XPS的产生当单色的X射线照射样品,具有一定能量的入射光子同样品原子相互作用：（1）光致电离产生光电子； （2）电子从产生之处迁移到表面；（3）电子克服逸出功而发射。 用能量分析器分析光电子的动能,得到的就是X射线光电子能谱。二、XPS的测量原理2.能量关系能量关

3、系：H = Eb+s+Ek+ErEb-电子结合能（以费米能级为零点）s-样品材料的功函数Ek-电子刚逸出表面时具有的动能Er 出射电子的反冲能由于样品与能谱仪接触，产生接触电势差，而在样品表面与能谱仪之间产生电场，使光电子射出后在此电场中加速或减速，动能发生改变，测量到的动能与原始能量不一致。平衡时，有关系 Ek = Ek -(sp- s)因此可得（忽略反冲能） H = Eb+sp+ Ek或 Ek = h Eb sp紫外光电子能谱分析UPSUltra-violet photoelectron Spectroscopy XPS分析使用的光源阳极是Mg或Al，其能量分别是1487和1254eV。

4、UPS的光源为氦放电灯，能量为21.2或40.8eV，其能量只能够激发出价带电子，因此主要用于价带分析。3.深度剖面分析用离子束溅射剥蚀表面,用X射线光电子谱进行分析,两者交替进行, 可以得到元素及其化学状态的深度分布。4.光电子能量损失机制光电子在射出表面的同时，可能激发固体中某些过程从而自身能量发生损失：（1）声子激发或点阵振动 能量为几十meV，只能在高分辨谱中观察到。（2）等离子激发（3）各种单、双粒子激发XPS能谱仪的构成能谱仪的构成主要：超高真空系统；X射线源；能量分析系统电子控制系统数据采集和处理系统进样室分析室X 光枪真空系统能量分析器计算机系统离子枪X射线光电子能谱仪结构框图

5、 三、仪器结构1.X射线源射线源X射线的产生射线的产生X射线源的结构射线源的结构X射线的单色化射线的单色化X射线的聚焦和扫描射线的聚焦和扫描Mg/Al双阳极双阳极X射线源射线源 能量范围适中（Mg：1253.7，Al：1486.7eV） X射线的能量范围窄（0.7和0.85 eV） 能激发几乎所有的元素产生光电子； 靶材稳定，容易保存以及具有较高的寿命X射线的产生：阴极发射电子，直流高压电场对电子加速，高速碰撞阳极， 产生特征X射线其中，ExX射线半宽度 Ee光电子自然能量分布，与样品材料有关（不确定关系） Es固态宽化效应，激发光电子时产生晶格振动，即声 子对谱的影响 Esp谱仪的固有分辨率

6、提高分辨率主要办法是减小X射线宽度，即提高单色性。 要求X射线的自然线宽小，分辨率才高 测得光电子能谱的半宽度为122222xesspEEEEE 2dsin=n 2.电子能量分析器 3.超高真空系统 4.控制电路 5.样品台6.样品准备 样品尺寸不宜过大，一般应不大于10 x10 x1mm； 样品表面应大体上平整； 样品最好能够导电； 表面应作脱脂处理，绝对避免用手触摸； 原始表面应尽可能尽快测试，避免长时间在空气中存放； 粉末样品可以压成块状，或撒布在胶带上；也可以将粉末溶解在适当溶剂中做成溶液，屠宰样品台上，再使溶剂挥发即成样品； 气体、液体样品多用冷却法令其凝固。四、谱图分析 定性分析

7、定量分析 深度分析 化学状态分析6005004003002001000Binding Energy eVCounts a.u.Al 2pAl 2sC 1sN 1sTi 2pO 1sTi(CN)x/ Al film是高纯Al基片上沉积的Ti(CN)x薄膜的XPS谱图，激发源为Mg K谱图解析标志介绍元素鉴别消除电荷效应 光电子被激发出以后，非导电样品上会逐渐积累正电荷，导致测量的光电子动能减小，表观结合能正移，从而影响分析结果。 办法：（1）电子枪发射电子中和；（2）样品表面镀金，厚度1nm；（3）在导电样品托上制备超薄样品；（4）外标法：样品上C1s的结合能为284.8eV。能量定标（1）利用已知特征谱：C 1s-284.3 eV（2）利用两条谱线，如： Cu 2p3/2-932.8 eV，Cu 3s-122.9 eV Au 4f7/2-83.8 eV， Cu 2p3/2-932.8 eV（3）已知能量的两种光子激发同一样品的某一能级，则两次测量的能量差即为光子能量差。Mg与Al阳极的能量差是233.01 eV。不