XPS原理及分析

1、X射线光电子能谱分析一、概述 X射线光电子谱是重要的表面分析技术之一。它不仅能探测表面的化学组成，而且可以确定各元素的化学状态，因此，在化学、材料科学及表面科学中得以广泛地应用。 X射线光电子能谱是瑞典Uppsala大学K.Siegbahn及其同事经过近20年的潜心研究而建立的一种分析方法。他们发现了内层电子结合能的位移现象，解决了电子能量分析等技术问题，测定了元素周期表中各元素轨道结合能，并成功地应用于许多实际的化学体系,K.Siegbahn因此获1981诺贝尔奖。二、X射线光电子能谱分析的基本原理 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，其基本原理是用单色射线照射样

2、品，使样品中原子或分子的电子受激发射，然后测量这些电子的能量分布。通过与已知元素的原子或离子的不同壳层的电子的能量相比较，就可确定未知样品表层中原子或离子的组成和状态。1、光电效应 当一束能量为h的单色光与原子发生相互作用，而入射光量子的能量大于原子某一能级电子的结合能时，发生电离： M + h= M*+ + e- 光电效应过程同时满足能量守恒和动量守恒，入射光子和光电子的动量之间的差额是由原子的反冲来补偿的。 光电效应的几率随着电子同原子核结合的加紧而很快的增加，所以只要光子的能量足够大，被激发的总是内层电子。外层电子的光电效应几率就会很小，特别是价带，对于入射光来说几乎是“透明”的。 光电

3、子动能: Ek= h- Eb-sp（ sp是功函数）为某能级的电子对入射光子有效能量转换面积，也可表示为某能级的电子对入射光子有效能量转换面积，也可表示为一定能量的光子与原子作用时从某个能级激发出一个电子为一定能量的光子与原子作用时从某个能级激发出一个电子的几率的几率。与电子所在壳层的平均半径与电子所在壳层的平均半径r、入射光子频率、入射光子频率n和原子序数和原子序数Z等因素有关。在入射光子能量一定的条件下，同一原子中半等因素有关。在入射光子能量一定的条件下，同一原子中半径越小的壳层径越小的壳层 越大；电子结合能与入射光子能量越接近越大；电子结合能与入射光子能量越接近 越越大。对不同原子同一壳

4、层的电子，原子序数越大，光电效应大。对不同原子同一壳层的电子，原子序数越大，光电效应截面截面 越大。越大。34567891112元素元素LiBeBCNOFNaMg1.14.211224064100 195 266 量子数表示电子运动状态量子数表示电子运动状态 : 电子能量主要（并非完全）取决于电子能量主要（并非完全）取决于 ; 电子能量电子能量 1, 2, 3, ；通常以通常以K(n=1), L(n=2),M(n=3)表示表示 相同的相同的 表示相同的电子壳层表示相同的电子壳层:决定决定电子云的几何形状电子云的几何形状；不同的；不同的 将电将电子壳层分成几个亚层，即子壳层分成几个亚层，即能级能

5、级。与与 有关，给定有关，给定 后，后， 0, 1, 2，( 1);通常以通常以(l=0), (l=1), (l=2), (l=3), 表示表示 在给定壳层的能级上，在给定壳层的能级上， 电子能量略电子能量略 2、原子能级的划分 :决定决定电子云在空间的伸展方电子云在空间的伸展方向向(取向取向)； 给定给定 后，后， 取取+ 和和- 之间的任何整数，之间的任何整数， l, l-1, , 0, -1, , - l ； 若若 =0，则，则 =0；若；若 =1，则，则 =1,0,-1。:表示表示电子绕其自身轴的旋电子绕其自身轴的旋转取向转取向；与上述；与上述3个量子数无关。个量子数无关。 电子的轨道

6、运动和自旋运动间存在电磁相互作用，电子的轨道运动和自旋运动间存在电磁相互作用，即：即：自旋轨道耦合作用自旋轨道耦合作用的结果使其能级发生分的结果使其能级发生分裂，对裂，对 0的内壳层来说，这种分裂可用的内壳层来说，这种分裂可用j表示表示(j) 若若 ，则，则j ； 若若 ，则，则j 或或 ; 除除s亚壳层不发生自旋分裂外，凡亚壳层不发生自旋分裂外，凡 的各亚壳的各亚壳层都将分裂成两个能级层都将分裂成两个能级出现出现双峰双峰 自旋轨道劈裂自旋轨道劈裂01323、电子结合能 一个自由原子或离子的结合能，等于将此电子从所在的能级转移到无限远处所需的能量。4、XPS信息深度5、化学位移 同种原子由于处

7、于不同的化学环境，引起内壳层电子结合能的变化，在谱图上表现为谱线的位移，这种现象称为化学位移。 所谓某原子所处化学环境不同，一是指与它结合的元素种类和数量不同，二是指原子具有不同的价态。 原子内壳层电子的结合能随原子氧化态的增高而增大；氧化态愈高，化学位移也愈大。三、三、XPS装置 组成： x射线源射线源 样品台样品台 电子能量分析器电子能量分析器 电子探测和倍增器电子探测和倍增器 数据处理与控制数据处理与控制 真空系统真空系统核心部件：激发源；能量分析器；和电子探测器 仪器说明仪器说明仪器名称仪器名称：X射线光电子能谱仪 产品型号产品型号：Kratos AXIS Ultra DLD生产厂家生

8、产厂家：日本岛津-KRATOS公司 要求：要求：能量足够激发芯电子层；能量足够激发芯电子层；强度产生足够的光电子通量；强度产生足够的光电子通量；线宽（线宽（决定决定XPS峰的半高宽峰的半高宽FWHM）尽量窄；）尽量窄；Mg、Al源源2种结构：种结构：筒镜分析器筒镜分析器CMA：点传输率很：点传输率很高，有很高信噪比。高，有很高信噪比。XPS为提高为提高分辨率，将分辨率，将2个同轴筒镜串联个同轴筒镜串联同心半球分析器同心半球分析器CHA：两半球：两半球间的电势差产生间的电势差产生1/r2的电场，的电场，只只有选定能量的电子才能到达出口有选定能量的电子才能到达出口。前面放置一前面放置一透镜透镜或或

9、栅极栅极电电子减速子减速电子动能可选定在电子动能可选定在一预设值（通道能量）一预设值（通道能量）提提高灵敏度高灵敏度半球形电子能量分析器半球形电子能量分析器)(/E2112rrrrcceVbl改变V便可选择不同的EK，如果在球形电容器上加一个扫描电压，会对不同能量的电子具有不同的偏转作用，从而 四、xps谱图典型谱图横坐标：电子束缚能(能直接反映电子壳层/能级结构)或动能；eV纵坐标：cps（Counts per second），相对光电子流强度谱峰直接代表原子轨道的结合能 典型谱图典型谱图Fe的清洁表面 典型谱图典型谱图 本征信号不强的本征信号不强的XPS谱图谱图中，往往有明显中，往往有明显

10、“噪音噪音” 不完全是仪器导致不完全是仪器导致 可能是可能是信噪比太低信噪比太低，即，即待测元素含量太少待测元素含量太少 增加扫描次数、延长增加扫描次数、延长扫描时间扫描时间噪音噪音 注意：注意：谱图对比时测量谱图对比时测量参数必须一致。参数必须一致。扫描1次扫描3次涂膜玻璃的Si2p谱1、xps光电子线及伴线A、光电子线 最强的光电子线常常是谱图中强度最大、峰宽最小、对称性最好的谱峰，称为xps的主线。每一种元素都有自己最强的、具有表征作用的光电子线，它是元素定性分析的主要依据。Ti及及TiO2中中2p3/2峰的峰位及峰的峰位及2p1/2和和2p3/2之间的距离之间的距离 B、俄歇线 原子中

11、的一个内层电子光致原子中的一个内层电子光致电离射出后，内层留下一空电离射出后，内层留下一空穴，原子处于穴，原子处于激发态激发态。激发。激发态离子要向低能转化而发生态离子要向低能转化而发生驰豫驰豫；驰豫通过辐射；驰豫通过辐射跃迁释跃迁释放能量放能量。 辐射出的的射线波长在辐射出的的射线波长在x射线区射线区 x射线荧光射线荧光 跃迁使另一电子激发成自由电跃迁使另一电子激发成自由电子子俄歇电子俄歇电子 多以谱线群方式出现多以谱线群方式出现 俄歇线俄歇线 OKLL、CKLL KLL:左边代表起始空穴的电子层，中间代表填补左边代表起始空穴的电子层，中间代表填补起始空穴的电子所属的电子层，右边代表发射俄歇

12、起始空穴的电子所属的电子层，右边代表发射俄歇电子的电子层电子的电子层C、XPS卫星线 用来照射样品的单色用来照射样品的单色x射线并非单色，常规射线并非单色，常规Al/Mg Ka1,2射线里混杂射线里混杂Ka3,4,5,6和和Kb射线射线，它们，它们分别是阳极材料原子分别是阳极材料原子中的中的L2和和L3能级上的能级上的6个状态不同的电子和个状态不同的电子和M能级的电子跃迁到能级的电子跃迁到K层上产生的层上产生的荧光荧光x射线射线效应效应。这些射线统称。这些射线统称XPS卫星线卫星线。Mg Ka射线的卫星峰Al Ka 、Mg Ka卫星峰离主光电子峰的位移和相对强度卫星峰离主光电子峰的位移和相对强

13、度射线名称射线名称Ka1,2Ka3Ka4Ka5Ka6Kb高动能端位高动能端位移移0eV8.4eV10.2eV17.5eV20.0eV48.5eV相对强度相对强度1009.25.10.80.52.0高动能端位高动能端位移移0eV9.8eV11.8eV20.1eV23.4eV69.7eV相对强度相对强度1007.83.30.420.282.0 光电子能量损失谱线是由于光电子在穿过样品表面时发生光电子能量损失谱线是由于光电子在穿过样品表面时发生非弹性碰撞，能量损失后在谱图上出现的伴峰非弹性碰撞，能量损失后在谱图上出现的伴峰 特征能量损失的大小与样品有关；特征能量损失的大小与样品有关；能量损失峰的强度

14、取决能量损失峰的强度取决于：样品特性、穿过样品的电子动能于：样品特性、穿过样品的电子动能 能量损失线能量损失线二氧化硅中O1s的能量损失峰Al的2s的能量损失峰a：清洁表面；b：氧化表面 在光电发射中，由于内壳层形成空位，在光电发射中，由于内壳层形成空位，原子中心电位发生突原子中心电位发生突变引起价壳层电子的跃迁变引起价壳层电子的跃迁，出现两个结果：，出现两个结果： 若价壳层电子跃迁到更高能级的束缚态称为若价壳层电子跃迁到更高能级的束缚态称为电子的振激电子的振激 若价壳层电子跃迁到非束缚的连续状态成了自由电子，则称为若价壳层电子跃迁到非束缚的连续状态成了自由电子，则称为电子的电子的振离振离。振

15、激过程、 和和的的结合能差距不大，结合能差距不大，鉴鉴别困难别困难。和和没有没有2p3/2谱谱线的振激峰；而线的振激峰；而则有。则有。 XPS中出现的难以解释的光电子线中出现的难以解释的光电子线 来源来源：阳极材料不纯，有部分阳极材料不纯，有部分x射线来自杂质微量射线来自杂质微量元素；元素；窗口出来窗口出来-铝箔铝箔XPS：定性分析方法：定性分析方法 首先标识那些总是出现的谱线，首先标识那些总是出现的谱线，e.g. C1s, CKLL, O1s, OKLL, O2s, x射线卫星峰和能量损失线；射线卫星峰和能量损失线； 根据结合能数值标识谱图中最强的、代表样品中主体根据结合能数值标识谱图中最强

16、的、代表样品中主体元素的强光电子线，并且与元素内层电子结合能的标元素的强光电子线，并且与元素内层电子结合能的标准值仔细核对，并找出与此匹配的其他弱光电子线和准值仔细核对，并找出与此匹配的其他弱光电子线和俄歇线群；俄歇线群； 最后标出余下较弱的谱线，标识方法同上，标识它们最后标出余下较弱的谱线，标识方法同上，标识它们应想到可能来自微量元素或杂质元素的信号，也可能应想到可能来自微量元素或杂质元素的信号，也可能来自强的来自强的Kb x射线等卫星峰的干扰；射线等卫星峰的干扰； 对那些反复核对但没有归属的谱线，可能是鬼线；对那些反复核对但没有归属的谱线，可能是鬼线；2、XPS定量分析方法将谱线将谱线强度

17、信号强度信号元素含量元素含量，即将，即将峰的面积峰的面积相应相应元素的浓度元素的浓度。直接用光电子的强度进行定量分析，误差大，直接用光电子的强度进行定量分析，误差大，不同壳层的光电子截面不不同壳层的光电子截面不同，光电离的几率不同。同，光电离的几率不同。元素灵敏度因子法元素灵敏度因子法半经验半经验 对单相、均一、无限厚的固体表面，从光电发射物理过程，可导出谱对单相、均一、无限厚的固体表面，从光电发射物理过程，可导出谱线强度公式：线强度公式： fo:x射线强度（光子数射线强度（光子数/cm2s） r :被测元素原子密度（原子数被测元素原子密度（原子数/cm3） Q:待测谱线对应的轨道光电离截面（

18、待测谱线对应的轨道光电离截面（cm2） A0:被测试样有效面积（被测试样有效面积（cm2） le :试样的电子逃逸深度（试样的电子逃逸深度（cm） F:考虑入射和出射电子间夹角变化影响的校正因子考虑入射和出射电子间夹角变化影响的校正因子 y:形成特定能量光电过程效率形成特定能量光电过程效率 D:能量分析器对发射电子的检测效率能量分析器对发射电子的检测效率yDQAfIe00 S元素灵敏度因子元素灵敏度因子 对对2个元素有：个元素有： Q、le 、y、D等对不同试样有相同的变化规律，即等对不同试样有相同的变化规律，即S1/S2不变；不变； S值值与材料基体性质无关，一般以氟与材料基体性质无关，一般

19、以氟F1s轨道光电子谱线的灵敏度因轨道光电子谱线的灵敏度因子为子为1。 某元素所占原子分数为：某元素所占原子分数为： 元素灵敏度因子法因受多因素影响，不可能很准确元素灵敏度因子法因受多因素影响，不可能很准确yDQAfSSIyDQAfIee0000/)/()/()/(221121SISI)/()/()(iixxixxSISIC 谱线强度的确定谱线强度的确定 几何作图法：几何作图法： 称重法：沿谱线称重法：沿谱线ACEDBFA剪下，称重剪下，称重（纸均匀）（纸均匀） 机械积分法：机械积分法： 电子计算机拟合电子计算机拟合半峰宽峰面积峰高XPS：定量分析方法：定量分析方法4CoNiAl多层磁带材料耗时36h：应用 表面全元素分析表面全元素分析（全谱）：（全谱）： 存在：存在：Ti, O, Si, C;的来源，可能：的来源，可能： 涂层太薄（涂层太薄（10nm） 热处理使基体扩散热处理使基体扩散涂层变薄涂层变薄的来源，可能：的来源，可能： 溶胶溶胶 谱仪油污染碳谱仪油污染碳二氧化钛涂层玻璃（溶胶凝胶） 表面窄区