材料测试技术基础 材料现代研究方法 第十三章 电子能谱分析法课件

第十三章电子能谱分析法

第十三章电子能谱分析法

一概述

表面分析技术(SurfaceAnalysis)是对材料外层(theOuter-MostLayersofMaterials(<100))的研究的技术。包括：1电子谱学(ElectronSpectroscopies)X-射线光电子能谱XPS:X-rayPhotoelectronSpectroscopy

俄歇能谱AES:AugerElectronSpectroscopy

电子能量损失谱EELS:ElectronEnergyLossSpectroscopy一概述

表面分析技术(SurfaceAnalysis)2离子谱学IonSpectroscopies

二次离子质谱SIMS:SecondaryIonMassSpectrometry

溅射中性质谱SNMS:SputteredNeutralMassSpectrometry

离子扫描能谱ISS:IonScatteringSpectroscopy2离子谱学IonSpectroscopies二XPS的概念

XPS也叫ESCA（ElectronSpectroscopyforChemicalAnalysis），是研究表面成分的重要手段。原理是光电效应（photoelectriceffect）。1960’s由UniversityofUppsala,Sweden的KaiSiegbahn等发展。EMPA中X射线穿透大，造成分析区太深。而由于电子穿透小，深层所产生的电子不出现干扰，所以可对表面几个原子层进行分析。（吸附、催化、镀膜、离子交换等领域）二XPS的概念XPS也叫ESCA（ElectrX-rayBeamX-raypenetrationdepth~1mm.Electronscanbeexcitedinthisentirevolume.X-rayexcitationarea~1x1cm2.ElectronsareemittedfromthisentireareaElectronsareextractedonlyfromanarrowsolidangle.1mm210nmX-rayBeamX-raypenetrationdeConductionBandValenceBandL2,L3L1KFermiLevelFreeElectronLevel光：IncidentX-ray发射出的光电子EjectedPhotoelectron1s2s2p三光电效应（PhotoelectricProcess）ConductionBandValenceBandL2,1电磁波使内层电子激发，并逸出表面成为光电子，测量被激发的电子能量就得到XPS，不同元素种类、不同元素价态、不同电子层(1s,2s,2p等)所产生的XPS不同。2被激发的电子能量可用下式表示：

KE

=hv-BE-spec

式中hv=入射光子（X射线或UV）能量

h=Planckconstant(6.62x10-34Js),v-frequency(Hz)

BE=电子键能或结合能、电离能（ElectronBindingEnergy）

KE=电子动能（ElectronKineticEnergy）

spec=谱学功函数或电子反冲能（SpectrometerWorkFunction）1电磁波使内层电子激发，并逸出表面成为光电子，测量被激发的电谱学功函数极小，可略去，得到

KE=hv-BE

：3元素不同，其特征的电子键能不同。测量电子动能KE

，就得到对应每种元素的一系列BE-光电子能谱，就得到电子键能数据。4谱峰强度代表含量，谱峰位置的偏移代表价态与环境的变化-化学位移。材料测试技术基础材料现代研究方法第十三章电子能谱分析法课件1激发光源——X射线（软X射线；MgKα:hv=1253.6eV；AlKα:hv=1486.6eV）或UV；2电子能量分析器-对应上述能量的分析器，只可能是表面分析；3高真空系统：超高真空腔室super-highvacuumchamber（UHV避免光电子与气体分子碰撞的干扰。四XPS的仪器InstrumentationforXPS1激发光源——X射线（软X射线；MgKα:hv=1XPS的仪器InstrumentationforXPSXPS的仪器InstrumentationforXPSXPS的仪器InstrumentationforXPSXPS的仪器InstrumentationforXPS钯的XPS（XPSspectrumobtainedfromaPdmetalsampleusingMg

Karadiation);

主峰在330,690,720,910and920eV。将KE转换为BE，得到下页图-注意坐标左右颠倒。钯的XPS（XPSspectrumobtainedfr1.价带(4d,5s)出现在0-8eV。24p、4s

能级出现在54、88eV。3.335eV的最强峰由3d

能级引起。43p

和3s

能级出现在534/561eV和673eV。5.其余峰非XPS峰，而是Auger电子峰。材料测试技术基础材料现代研究方法第十三章电子能谱分析法课件例：试作出在MgKa

(hn=1253.6eV)

作用下Na的XPS示意谱图，Na的能级分布如右图。解：由KE=hv-BE,KE1s=(1253.6-1072)=182eVKE2s=(1253.6-64)=1190eV

KE2p=(1253.6-31)=1223eV例：试作出在MgKa(hn=1253.6eV)

五俄歇电子能谱AES(AugerelectronSpectrocopy)

光子作用下：

K层电离；

L层补充跃迁；能量使另一层L电子激发成AuE。

即双级电离过程：

A*+=A2++e-。

五俄歇电子能谱AES(AugerelectronSpAES特点：1受价态影响；2受结合态影响；3受表面势垒影响。与XPS相比，优点如下：1可用电子激发，并形成聚焦（XPS只能用X、UV）；2可扫描得到AuE象，直观反映表面；3电子束流可调小，使空间分辨率提高。AES特点：1受价态影响；六XPS（AES)的应用：1元素定性2定量分析3元素价态、结合态的研究。六XPS（AES)的应用：1元素定性实例1：

木乃依所用的颜料分析150145140135130BindingEnergy(eV)PbO2Pb3O45004003002001000BindingEnergy(eV)OPbPbPbNCaCNaClXPSanalysisshowedthatthepigmentusedonthemummywrappingwasPb3O4ratherthanFe2O3EgyptianMummy2ndCenturyADWorldHeritageMuseumUniversityofIllinois实例1：木乃依所用的颜料分析150145140135130

完材料测试技术基础材料现代研究方法第十三章电子能谱分析法课件第十三章电子能谱分析法

第十三章电子能谱分析法

一概述

表面分析技术(SurfaceAnalysis)是对材料外层(theOuter-MostLayersofMaterials(<100))的研究的技术。包括：1电子谱学(ElectronSpectroscopies)X-射线光电子能谱XPS:X-rayPhotoelectronSpectroscopy

俄歇能谱AES:AugerElectronSpectroscopy

电子能量损失谱EELS:ElectronEnergyLossSpectroscopy一概述

表面分析技术(SurfaceAnalysis)2离子谱学IonSpectroscopies

二次离子质谱SIMS:SecondaryIonMassSpectrometry

溅射中性质谱SNMS:SputteredNeutralMassSpectrometry

离子扫描能谱ISS:IonScatteringSpectroscopy2离子谱学IonSpectroscopies二XPS的概念

XPS也叫ESCA（ElectronSpectroscopyforChemicalAnalysis），是研究表面成分的重要手段。原理是光电效应（photoelectriceffect）。1960’s由UniversityofUppsala,Sweden的KaiSiegbahn等发展。EMPA中X射线穿透大，造成分析区太深。而由于电子穿透小，深层所产生的电子不出现干扰，所以可对表面几个原子层进行分析。（吸附、催化、镀膜、离子交换等领域）二XPS的概念XPS也叫ESCA（ElectrX-rayBeamX-raypenetrationdepth~1mm.Electronscanbeexcitedinthisentirevolume.X-rayexcitationarea~1x1cm2.ElectronsareemittedfromthisentireareaElectronsareextractedonlyfromanarrowsolidangle.1mm210nmX-rayBeamX-raypenetrationdeConductionBandValenceBandL2,L3L1KFermiLevelFreeElectronLevel光：IncidentX-ray发射出的光电子EjectedPhotoelectron1s2s2p三光电效应（PhotoelectricProcess）ConductionBandValenceBandL2,1电磁波使内层电子激发，并逸出表面成为光电子，测量被激发的电子能量就得到XPS，不同元素种类、不同元素价态、不同电子层(1s,2s,2p等)所产生的XPS不同。2被激发的电子能量可用下式表示：

KE

=hv-BE-spec

式中hv=入射光子（X射线或UV）能量

h=Planckconstant(6.62x10-34Js),v-frequency(Hz)

BE=电子键能或结合能、电离能（ElectronBindingEnergy）

KE=电子动能（ElectronKineticEnergy）

spec=谱学功函数或电子反冲能（SpectrometerWorkFunction）1电磁波使内层电子激发，并逸出表面成为光电子，测量被激发的电谱学功函数极小，可略去，得到

KE=hv-BE

：3元素不同，其特征的电子键能不同。测量电子动能KE

，就得到对应每种元素的一系列BE-光电子能谱，就得到电子键能数据。4谱峰强度代表含量，谱峰位置的偏移代表价态与环境的变化-化学位移。材料测试技术基础材料现代研究方法第十三章电子能谱分析法课件1激发光源——X射线（软X射线；MgKα:hv=1253.6eV；AlKα:hv=1486.6eV）或UV；2电子能量分析器-对应上述能量的分析器，只可能是表面分析；3高真空系统：超高真空腔室super-highvacuumchamber（UHV避免光电子与气体分子碰撞的干扰。四XPS的仪器InstrumentationforXPS1激发光源——X射线（软X射线；MgKα:hv=1XPS的仪器InstrumentationforXPSXPS的仪器InstrumentationforXPSXPS的仪器InstrumentationforXPSXPS的仪器InstrumentationforXPS钯的XPS（XPSspectrumobtainedfromaPdmetalsampleusingMg

Karadiation);

主峰在330,690,720,910and920eV。将KE转换为BE，得到下页图-注意坐标左右颠倒。钯的XPS（XPSspectrumobtainedfr1.价带(4d,5s)出现在0-8eV。24p、4s

能级出现在54、88eV。3.335eV的最强峰由3d

能级引起。43p

和3s

能级出现在534/561eV和673eV。5.其余峰非XPS峰，而是Auger电子峰。材料测试技术基础材料现代研究方法第十三章电子能谱分析法课件例：试作出在MgKa

(hn=1253.6eV)

作用下Na的XPS示意谱图，Na的能级分布如右图。解：由KE=hv-BE,KE1s=(1253.6-1072)=182eVKE2s=(1253.6-64)=1190eV

KE2p=(1253.6-31)=1223eV例：试作出在MgKa(hn=1253.6eV)

五俄歇电子能谱AES(AugerelectronSp