《X射线光电子能谱学》 X-Ray Photoelectron Spectroscopy 麻茂生 中国科学技术大学理化科学实验中心 合肥微尺度物质科学国家实验室（筹） 仁肥牧耳及物質锌学图家簧治岁（筹） HEFEI NATIONAL LABORATORY POR PHYSICAL CES AT MICROSCALE
《X射线光电子能谱学》 X-Ray Photoelectron Spectroscopy 中国科学技术大学理化科学实验中心 合肥微尺度物质科学国家实验室(筹) 麻茂生
课程目的 口X射线光电子能谱学的基本物理原理？ 口X射线光电子能谱能解决什么问题？ 口X射线光电子能谱图怎样识别？ 口X射线光电子能谱实验要注意那些问题？ 左肥徵B度的質锌学图家簧绘出（筹） HEPEI NATIONAL LABORATOR￥FOPIHY51 CAL SCIENC里S AT MICROSCALI
课程目的 pX射线光电子能谱学的基本物理原理？ pX射线光电子能谱能解决什么问题？ pX射线光电子能谱图怎样识别？ pX射线光电子能谱实验要注意那些问题？
主要内容(Outline ● 第一章X射线光电子能谱基本原理 第二章结合能与化学位移 ● 第三章电子能谱仪构造 ●第四章谱图一般特征 ● 第五章定性分析方法 第六章定量分析和深度剖析方法 第七章数据处理方法 第八章在材料科学中的应用 名肥批男度的質锌学图家簧绘岁（筹） HEFEI NATIONAL LADORATORY FOR PHYSICAL SCEENCES AT MICROSCAL
主要内容(Outline) l 第一章 X射线光电子能谱基本原理 l 第二章 结合能与化学位移 l 第三章 电子能谱仪构造 l 第四章 谱图一般特征 l 第五章 定性分析方法 l 第六章 定量分析和深度剖析方法 l 第七章 数据处理方法 l 第八章 在材料科学中的应用
第1章X射线光电子能谱基本原理 1. X射线光电子能谱及其特性 2. 电子能级及其表示 3. 光电效应 4. 俄歇效应 5. 表面与表面灵敏性 左肥钱男度的質锌学图家簧绘當（筹） HEPEI NATIONAL LABORATOR￥FOPIHY51 CAL SCIENC里S AT MICROSCALI
第1章 X射线光电子能谱基本原理 1. X射线光电子能谱及其特性 2. 电子能级及其表示 3. 光电效应 4. 俄歇效应 5. 表面与表面灵敏性
1.1、X射线光电子能谱及其特性 X射线光电子能谱(X-Ray Photoelectron Spectroscopy),简称XPS,别称ESCA ● X射线光电子能谱学是最近四十年来发展起 来的一门独立完整的综合性学科。它与多种 学科相互交叉，融合了物理学，化学，材料 学，真空电子学，以及计算机技术等多学科 领域。 ●它是研究原子，分子和固体材料的有力工具 名肥批男度的質学图家簧绘岁（筹） EFEE NATIONAL LADORATORY
1.1、X射线光电子能谱及其特性 l X射线光电子能谱(X-Ray Photoelectron Spectroscopy)，简称XPS，别称ESCA l X射线光电子能谱学是最近四十年来发展起 来的一门独立完整的综合性学科。它与多种 学科相互交叉，融合了物理学，化学，材料 学，真空电子学，以及计算机技术等多学科 领域。 l 它是研究原子，分子和固体材料的有力工具
1.1.1、X射线光电子能谱XPS) 当软X射线作为探针作用于物质，入射X射线光子 与物质中的原子发生相互作用，经历各种能量转 递的物理效应后，所释放出的电子具有原子的特 征信息，亦即具有特征能量。 ·通过对这些特征信息的解析，可以获得样品中原 子的各种信息，如元素种类和含量，化学环境， 化学价态等。 收集、检测和记录和分析这些特征信号电子的能 量分布和空间分布的方法技术，就是X射线光电子 能谱学。 左肥钱B度物质锌学固家簧绘岁（筹） NATIONA LABORATORY SICAL SCIENCsA1
1.1.1、X射线光电子能谱(XPS) l 当软X射线作为探针作用于物质,入射X射线光子 与物质中的原子发生相互作用，经历各种能量转 递的物理效应后，所释放出的电子具有原子的特 征信息，亦即具有特征能量。 l 通过对这些特征信息的解析，可以获得样品中原 子的各种信息,如元素种类和含量，化学环境， 化学价态等。 l 收集、检测和记录和分析这些特征信号电子的能 量分布和空间分布的方法技术,就是X射线光电子 能谱学
1.1.1、X射线光电子能谱XPS) 所用激发源（探针）是单色X射线，探测从表面出 Energy analysis 射的光电子的能量分布。由于X射线的能量较 高，所以得到的主要是原子内壳层轨道上电离 出来的电子。XPS的物理基础：光电效应。 瑞典Uppsalaz大学物理研究所Kai Siegbahn教授 及其小组在二十世纪五十和六十年代对XPS的 实验设备进行了几项重要的改进并逐步发展完 善了这种实验技术，首先发现内壳层电子结合 能位移现象，并将它成功应用于化学问题的研 究中。X射线光电子能谱不仅能测定表面的元 素组成，而且还能给出各元素的化学状态和电 子态信息。 ● Kai Siegbahn由于其在高分辨光电子能谱方面 的开创性工作和杰出贡献荣获了1981年的诺贝 尔物理奖。 名肥钱男度的質锌学图家簧绘岁（筹） NATIONA LABORATORY P且PIY1 CAL SCEENC里ATM1 CROSCAL
1.1.1、X射线光电子能谱(XPS) l 所用激发源(探针)是单色X射线，探测从表面出 射的光电子的能量分布。由于X射线的能量较 高，所以得到的主要是原子内壳层轨道上电离 出来的电子。XPS的物理基础：光电效应。 l 瑞典Uppsala大学物理研究所Kai Siegbahn教授 及其小组在二十世纪五十和六十年代对XPS的 实验设备进行了几项重要的改进并逐步发展完 善了这种实验技术，首先发现内壳层电子结合 能位移现象，并将它成功应用于化学问题的研 究中。X射线光电子能谱不仅能测定表面的元 素组成，而且还能给出各元素的化学状态和电 子态信息。 l Kai Siegbahn由于其在高分辨光电子能谱方面 的开创性工作和杰出贡献荣获了1981年的诺贝 尔物理奖
1.1.2、电子能谱的特性 除氢和氢以外元素周期表中所有元素都有分立特征谱峰； 近邻元素的谱线分隔较远，无系统干扰。 ● 可观测的化学位移。与氧化态和分子结构相关，与原子电 荷相关，与有机分子中的官能团有关。 可定量的技术。测定元素的相对浓度，测定同一元素不同 氧化态的相对浓度。 ● 表面灵敏技术。采样深度约1~10nm,信号来自最表面的 十数个原子单层。 。分析速度快，可多元素同时测定。 样品的广泛适用性。固体样品用量小，不需要进行样品前 处理。 名肥牧B度的質科学图家簧绘岁（筹） ABORATOR SICAL SCIENCES AT MICROSCALI
1.1.2、电子能谱的特性 l 除氢和氦以外元素周期表中所有元素都有分立特征谱峰； l 近邻元素的谱线分隔较远，无系统干扰。 l 可观测的化学位移。与氧化态和分子结构相关，与原子电 荷相关，与有机分子中的官能团有关。 l 可定量的技术。测定元素的相对浓度，测定同一元素不同 氧化态的相对浓度。 l 表面灵敏技术。采样深度约1~10nm，信号来自最表面的 十数个原子单层。 l 分析速度快，可多元素同时测定。 l 样品的广泛适用性。固体样品用量小，不需要进行样品前 处理
X射线光电子能谱(XPS) 优点： 1.可测除H、He以外的所有元素。 2亚单层灵敏度；探测深度1~20单层，依赖材料和实 验参数。 3. 定量元素分析。 4.优异的化学信息，化学位移和伴峰结构与完整的标 准化合物数据库的联合使用。 5.分析是非结构破坏的；X射线束损伤通常微不足道 6. 详细的电子结构和某些几何信息。 缺点： 1.横向分辨率较低，15μ（小面积），3μ（成像）。 左肥钱男度的質绿学图家赏绘台（筹） HEFEE NATIONA AL SCEENCES AT MICROSCAL
X射线光电子能谱(XPS) 优点： 1. 可测除H、He以外的所有元素。 2. 亚单层灵敏度；探测深度1～20单层，依赖材料和实 验参数。 3. 定量元素分析。 4. 优异的化学信息，化学位移和伴峰结构与完整的标 准化合物数据库的联合使用。 5. 分析是非结构破坏的；X射线束损伤通常微不足道 6. 详细的电子结构和某些几何信息。 缺点： 1. 横向分辨率较低，15m(小面积)，3m(成像)
1.1.3、XPS可提供的信息 ● 表面元素组成的定性和半定量测定（误差<±10%） 表面污染元素； ● 纯材料的实验式； 表面各元素的化学态和电子态； 优异的化学信息和分子环境的信息（成键状态、 分子结构等)； 详细的电子结构和某些几何信息； 各元素在表面分布均匀性（线扫描或化学成像） 样品内的元素深度分布均匀性（深度剖析)。 :肥牧B度的質科学图家簧绘堂（筹） HEPEI NATIONA
1.1.3、XPS可提供的信息 l 表面元素组成的定性和半定量测定(误差<±10%) l 表面污染元素； l 纯材料的实验式； l 表面各元素的化学态和电子态； l 优异的化学信息和分子环境的信息（成键状态、 分子结构等）； l 详细的电子结构和某些几何信息； l 各元素在表面分布均匀性（线扫描或化学成像） l 样品内的元素深度分布均匀性（深度剖析）