电子能谱XPS实验报告

实验报告电子能谱实验实验报告一、实验名称电子能谱实验二、实验目的（1）了解X光电子能谱（XPS）测量原理、仪器工作结构及应用；（2）通过对选定的样品实验，初步掌握XPS实验方法及谱图分析。三、实验原理在现代材料分析中，表面问题是材料研究中很重要的部分。尤其是在微型材料、超薄材料、薄膜材料和材料的表面处理等，都离不开表面科学。而X光电子能谱（简称XPS）则是一项重要的表面分析方法。一定能量的X光作用到样品上，将样品表面原子中的不同能级的电子激发成为自由电子，这些电子带有样品表面信息，具有特征能量，研究这类电子的能量分布，即为X光电子能谱分析。（1）光电发射在具体介绍XPS原理时，先介绍光电发射效应。光电发射是指，在轨道上运动的电子收到入射的光子的激发而由发射出去成为自由电子的过程。对于固体样品光电发射的能量关系如下：气=hv-气，一。（固体）（1）其中气为相对于费米能级的结合能，hv为光子的能量，气,为光电子的动能，气.为样品的功函数。光电发射示意图如下：Eb2O2sEbiOls氧的Eb2O2s氧的2s轨道电子发射示意图氧的1s轨道电子发射示意图原子能级结合能E对于原子来说是特征的，具有特异性，可以用它来标识原子及原子能级。由样品发射的光电子最终将会被探测器俘获，对于探测器有如下能量关系:

Eb=hv-［一。沪（探测器）（2）式中，4归为探测器的功函数。如下图所示:XPS测量原理示意图（二）化学位移XPS在进行定量分析的时候，有一项很重要的应用就是化学态分析，其中包括化学位移和化学能移。化学位移是指由于原子处于不同的化学环境而引起的结合能的位移（AEb）。如化合过程X+Y=X+Y-，X、Y因电子的转移引起结合能的变化。相应的电子能谱也会发生改变，通过这种方法，还可以区别同一类原子处于何种能态，这为表面分析提供了很大的便利。（三）X光电子能谱仪原理示意图如下图所示，由X射线源发出的X射线入射到样品表面，激发出自由光电子。光电子经过半球形能量分析器后被探测器吸收。探测器将光电子的所携带的信息转化为电信号，由示波器收集并在电脑中显示出来。X光电子能谱仪结构示意图具体的构造方框图如下:X光电子能谱仪的构造方框图光电发射过程、能量关系、化学位移等。（四）X光电子能谱仪的特点X光电子能谱仪采用的是X光作为入射光源，是一种对样品具有非破坏性的分析手段。能进行化学态分析，并且有明确的化学位移。同时，它还具有表面灵敏度高的特点，对样品要求不高，有机物、无机物，样品导电、不导电都可以进行测量分析。四、实验步骤（1）制备样品并放入靶台（实验采用Al靶，X光能量为1486.6eV）；（2）进行宽城扫描；（3）对特定的能谱区域进行窄程扫描；（4）报告测量结果；（5）标定谱峰能量位置，并进行元素标定。五、实验结果及分析（1）谱峰识别进行宽程扫描之后，得到一系列的谱峰。通过查询Al的1＜以X射线的元素结合能，可以标定各谱峰，见下表。谱峰位置（eV）284.56532.0899.1999.89101.85电子所属元素及轨道C1sO1sSi2p3Si2p1SiScanB3（2）化合物和含量分析由图中具体的谱峰面积可以进行化合物组分和含量的分析，见下表。元素谱峰面积物质状态含量总含量C1s76020.32化合态18.03%—O1s218180.72化合态51.75%—Si2p357880.19单质硅13.73%Si2p129528.52化合态7.00%30.22%SiScanB339969.70化合态9.48%由此可知，样品为单质硅，但是表面被污染，污染物有O和C。（3）对Si的谱峰进行了窄程扫描，可以认为地进行分波。所分波的总数为四，有峰强高度依次为Si2p3、Si2p1、SiScanB3、背景。六、习题（1）比较XPS和AES原理和分析方法上主要的特征。答：1.XPS通过X射线照射样品，将样品表面原子中不同能级的电子激发成自由电子。这些电子带有样品表面信息，具有特征能量，并且动能与激发源的能量有关。而AES的入射源为电子。入射的电子和样品作用，可以激发出原子内层的电子。外层电子向内层跃迁过程中所释放的能量又使核外另一个电子激发成为自由电子，这种自由电子就是俄歇电子。而俄歇电子的能量分布谱即为AES。与XPS的很大不同是，俄歇电子的动能与入射源能量无关。XPS旨在研究这类电子的能量分布，从而进行元素种类的标定，元素含量的定量测量，原子化学态的分析，并能够分析表面状态和薄膜厚度。AES分为两种谱一一积分谱和微分谱。与XPS相似，通过对图谱进行标定和定量分析，能够标定元素种类和计算元素的含量，并且能够分析化学态。另外，XPS和AES所给出的都是样品表面的二维信息。（2）在XPS实验中，怎样区分谱图上的光电子峰和俄歇峰。在XPS实验中，通过切换Mg靶和Al靶能够对光电子峰和俄歇峰进行区分。（3）用Al七（hv=1486.6eV）和Mg七（hv=1253.6eV）激发Cu2p的光电子动能相同吗？Cu2p/和Cu2p说的结合能分别约为933eV和953eV，请计算功能值。信号电子（动能大于200eV）的非弹性散射平均自由程入满足经验公式人=0.1*E./[o（ln气+b）（单位nm），其中Ek为逸出光电子的动能（以eV为单位），取常数o=10,b=-2.3。定义逸出深度d=3人，请计算上述Cu2p光电子的逸出深度，并作比较。答：1.因为光源能量不同，因此各自激发的Cu2p光电子的动能不同。2.由于题中未给定Cu样品的功函数，因此认为是指对单原子进行求解，即功函数为0.根据公式可以Eb=加—气，—、计算得出:入射光源AlKaMgKa轨道Cu2p堆553.6eV320.6eV533.6eV300.6eV对于Cu2p轨道，光电子的逸出深度由给定的公式计算出结果如下表:入射光源AlKaMgKa轨道Cu2P堆4.135nm2.772nmCu2Pi24.023nm2.648nm从中可知，随着入射光源能量的减小，光电子的逸出深度迅速衰减。（4）为什么说XPS是一种表面分析方法？试列举出2种表面分析方法，并作比较。答：1.如（3）中所计算的逸出深度，只有几个纳米的大小，这意味着大于逸出深度的电子无法逃出样品而被仪器探测到。因此它是一种表面分析技术。XPS所给出的信息都是关于表面原子的信息。2.其他表面分析方法有AES（已在题目（1）中进行了比较）。STM也是一种广泛的应用的表面分析方法。通过量子遂穿原理，STM仪器利用加有偏压的针尖采集样品表面的信息。STM可以非常直观地观察样品表面的原子排布情况，这是和XPS和AE