X射线光电子能谱及其应用简介

X射线光电能谱法XPS基本原理X射线光电子能谱分析的基本原理：一定能量的X光照射到样品表面，和待测物质发生作用，将样品表面原子中不同能级的电子激发成自由电子，然后收集这些带有样品表面信息并具有特征能量的电子，通过研究他们的能量分布来确定样品表面的组成和结构。该过程可用下式表示:hν=Ek+Eb+Er其中:hv：入射X光子的能量；Ek：光电子的能量；Eb：电子的结合能；Er：原子的反冲能量。结合能(Eb)：电子克服原子核束缚和周围电子的作用，到达费米能级所需要的能量。费米（Fermi）能级：T=0K固体能带中充满电子的最高能级真空能级：K电子达到该能级时完全自由而不受核的作用2021/6/272XPS的基本原理2021/6/273对于固体样品，计算结合能的参考点不是选真空中的静止电子，而是选用费米能级，由内层电子跃迁到费米能级消耗的能量为结合能Eb，由费米能级进入真空成为自由电子所需的能量为功函数Φ，剩余的能量成为自由电子的动能Ek，

hv=Ek+Eb+Φ即Eb=hv-Ek-Φ

XPS基本原理2021/6/274XPS的基本原理化学位移1.定义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2.化学位移现象起因及规律（1）原因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。因而元素的价态改变或周围元素的电负性改变，则内层电子的结合能改变。2021/6/275（2）规律当元素的价态增加，电子受原子核的库伦作用增加，结合能增加；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。XPS的基本原理

2021/6/276XPS的基本原理

与元素电负性的关系：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的影响最大。由于卤族元素F的电负性大于O的电负性，造成C原子周围的负电荷密度较低，这时1中C的1s电子同原子核结合比较紧密。因此1中C1s的结合能高于2。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12021/6/277XPS的基本原理与氧化态关系

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。以金属铍的氧化过程为例。这说明，Be氧化为BeO后，Be的1s结合能变大。如果Be与F结合为BeF2，由于F的电负性大于O的电负性，则BeF2中Be的1s结合能的位移更大2021/6/278

电子能谱仪主要激发源、电子能量分析器、探测电子的监测器和真空系统等几个部分组成。

电子能谱仪简介2021/6/279XPS中最常用的X射线源主要由灯丝、栅极和阳极靶构成。

双阳极X射线源示意图要获得高分辨谱图和减少伴峰的干扰，可以采用射线单色器来实现。即用球面弯曲的石英晶体制成，能够使来自X射线源的光线产生衍射和“聚焦”，从而去掉伴线和韧致辐射，并降低能量宽度，提高谱仪的分辨率。Ｘ射线源2021/6/2710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作即压力要低于10-3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。

电子能量分析器2021/6/2711半球形分析器示意图半球形电子能量分析器2021/6/2712筒镜分析器示意图

筒镜形电子能量分析器2021/6/2713电子能谱仪的真空系统有两个基本功能。1、使样品室和分析器保持一定的真空度，以便使样品发射出来的电子的平均自由程相对于谱仪的内部尺寸足够大，减少电子在运动过程中同残留气体分子发生碰撞而损失信号强度。2、降低活性残余气体的分压。因在记录谱图所必需的时间内，残留气体会吸附到样品表面上，甚至有可能和样品发生化学反应，从而影响电子从样品表面上发射并产生外来干扰谱线。

真空系统2021/6/2714表面元素定性分析XPS应用这是一种常规分析方法，一般利用XPS谱仪的宽扫描程序高纯Al基片上沉积的Ti(CN)x薄膜的XPS谱图，激发源为MgKα首先考虑消除荷电位移对于绝缘样品，必须进行校准一般来说，只要该元素存在，其所有的强峰都应存在表面元素定性分析XPS应用激发出来的光电子依据激发轨道的名称进行标记高纯Al基片上沉积的Ti(CN)x薄膜的XPS谱图，激发源为MgKα从C原子的1s轨道激发出来的光电子用C1s标记同时激发出多个原子轨道的光电子大部分元素都可以激发出多组光电子峰表面元素定性分析XPS应用高纯Al基片上沉积的Ti(CN)x薄膜的XPS谱图，激发源为MgKα化合态识别

在XPS的应用中，化合态的识别是最主要的用途之一。识别化合态的主要方法就是测量X射线光电子谱的峰位位移。对于半导体、绝缘体，在测量化学位移前应首先确定定荷电效应对峰位位移的影响。

XPS应用化合态识别化合态识别-光电子峰

由于元素所处的化学环境不同，它们的内层电子的轨道结合能也不同，即存在所谓的化学位移。其次，化学环境的变化将使一些元素的光电子谱双峰间的距离发生变化，这也是判定化学状态的重要依据之一。元素化学状态的变化有时还将引起谱峰半峰高宽的变化。XPS应用化合态识别化合态识别-光电子峰

S的2p峰在不同化学状态下的结合能值XPS应用化合态识别XPS应用化合态识别化合态识别-光电子峰

Ti及TiO2中2p3/2峰的峰位及2p1