中国荸孜术大学 University of Science and Technology of China 第10章在材料科学中的应用 聚合物材料分析 催化剂及其性能研究 合金材料中杂质的扩散 微电子器件的失效分析 在材料物理学中的应用 在材料化学中的应用 在腐蚀科学中的应用 薄膜材料分析和研究
第10章 在材料科学中的应用 1. 聚合物材料分析 2. 催化剂及其性能研究 3. 合金材料中杂质的扩散 4. 微电子器件的失效分析 5. 在材料物理学中的应用 6. 在材料化学中的应用 7. 在腐蚀科学中的应用 8. 薄膜材料分析和研究
由于XPS谱能提供材料表面丰富的物理、化学信 息,所以它在凝聚态物理学、电子结构的基本研 究、薄膜分析、半导体研究和技术、分凝和表面 迁移研究、分子吸附和脱附研究、化学研究(化 学态分析)、电子结构和化学键(分子结构)研 究、异相催化、腐蚀和钝化研究、分子生物学 材料科学、环境生态学等学科领域都有广泛应用 它可提供的信息有样品的组分、化学态、表面吸 附、表面态、表面价电子结构、原子和分子的化 学结构、化学键合情况等。 约中国收术大
由于XPS谱能提供材料表面丰富的物理、化学信 息，所以它在凝聚态物理学、电子结构的基本研 究、薄膜分析、半导体研究和技术、分凝和表面 迁移研究、分子吸附和脱附研究、化学研究（化 学态分析）、电子结构和化学键（分子结构）研 究、异相催化、腐蚀和钝化研究、分子生物学、 材料科学、环境生态学等学科领域都有广泛应用。 它可提供的信息有样品的组分、化学态、表面吸 附、表面态、表面价电子结构、原子和分子的化 学结构、化学键合情况等
101、聚合物材料分析 有机化合物与聚合物及 生物材料主要由C、H O、N、S、P、卤素和 C1s 其它一些金属等元素组 PET Spectrum 成的各种官能团构成, 因此就必须能够对这些 0=C-O co 官能团进行定性和定量 的分析和鉴别。 Sat 中荸孜术大 University ef science and Technology or china
10.1、聚合物材料分析 有机化合物与聚合物及 生物材料主要由C、H、 O、N、S、P、卤素和 其它一些金属等元素组 成的各种官能团构成， 因此就必须能够对这些 官能团进行定性和定量 的分析和鉴别
(1)C1s结合能 对C元素来讲,与自身成键(C-O或与H成键C-H时Cls电子 的结合能约为2846eV。(常作为结合能参考) 〉当用O原子来置换掉H原子后,对每一C-O键均可引起Cls电子 结合能有约15±0,e的化学位移。C-O-X中X(除X=NO2外)的 次级影响一般较小(±0.4eV);X=NO2可产生09V的附加位移。 O的次级影响(CC-O)一般较小(~0,2eV)。 卤素元素诱导向高结合能的位移可分为初级取代效应(即直接接 在C原子上)和次级取代效应(在近邻C原子上俩部分。对每 取代这些位移约为 卤素初级位移(ev)次级位移(eV) F 2.9 0.7 1.5 0.3 Br 1.0 <0.2 ◎中国鳞荤孜求大 University ef science and Technology or china
(1) C1s结合能 对C元素来讲，与自身成键(C−C)或与H成键(C−H)时C1s电子 的结合能约为284.6eV。(常作为结合能参考） 当用O原子来置换掉H原子后，对每一C−O键均可引起C1s电子 结合能有约1.50.2eV的化学位移。C−O−X中X(除X=NO2 外)的 次级影响一般较小(0.4eV)；X=NO2 可产生0.9eV的附加位移。 O的次级影响（C-C-O）一般较小(～0.2eV)。 卤素元素诱导向高结合能的位移可分为初级取代效应(即直接接 在C原子上)和次级取代效应(在近邻C原子上)俩部分。对每一 取代这些位移约为: 卤素 初级位移(eV) 次级位移(eV) F 2.9 0.7 Cl 1.5 0.3 Br 1.0 <0.2
表2:有机物样品的典型C1s结合能值 化学环境 官能团结合能(v Hydrocarbon(芳香碳石墨C-HC-C 284.6 Hydrocarbon(脂肪碳) C-H C-C 285.0 Amine,胺 C-N 285.1 Alcohol醇,苯酚,ethe醚C-OH,C-0C2861 cl bond to carbon C-Cl 286.1 f bond to carbon -F 2874 Carbonyl羰基 C=0 287.6 Amide酰胺 N-C=0 287.8 Carboxylic acids羧酸 O-C=O 289.1 Urea醛,尿素 Carbamate氨基甲酸盐 289.2 O-C-N Carbonate碳酸盐,CO2 290.6 O-C-O 2F bond to carbon -CH,CF2- 290.2 Carbon in PTFE CF,- 291.6 3f bond to carbon 293.0 ◎中国鳞荤孜求大
表2：有机物样品的典型C 1s结合能值 化学环境 官能团 结合能(eV) Hydrocarbon(芳香碳), 石墨 C−H, C−C 284.6 Hydrocarbon(脂肪碳) C−H, C−C 285.0 Amine, 胺 C−N 285.1 Alcohol醇，苯酚, ether醚 C−OH, C−O−C 286.1 Cl bond to carbon C−Cl 286.1 F bond to carbon C−F 287.4 Carbonyl羰基 C=O 287.6 Amide酰胺 N−C=O 287.8 Carboxylic Acids羧酸 O−C=O 289.1 Urea醛，尿素 O N−C−N 288.6 Carbamate氨基甲酸盐 O O−C−N 289.2 Carbonate碳酸盐，CO2 O O−C−O 290.6 2F bond to carbon −CH2CF2 − 290.2 Carbon in PTFE −CF2CF2 − 291.6 3F bond to carbon −CF3 293.0
(2)01s结合能 Ols结合能对绝大多数功能团来讲都在533eV左右的约2eV 的窄范围内,所以一般不用来判断官能团的种类。极端情 况可在羧基 Carboxyl)和碳酸盐基( Carbonate group)中观 察到,其单键氧具有较高的结合能 表3:有机物样品的典型Ols结合能值 化学环境 官能团 结合能(eV) Carbonyl羰基,酮 C=0,O-C=Q|531.1-531:8 Alcohol醇,羟基,Ehet醚瞇C-QHC-QC5323-533 Ester酯 C-O-C=O 5333 Water H2O 535.5-536.1 *有效结合能值将依赖于官能团所处的特殊环境。大多数范围在±02eV之内 ◎中国鳞荤孜求大 University ef science and Technology or china
(2) O1s结合能 O1s结合能对绝大多数功能团来讲都在533eV左右的约2eV 的窄范围内，所以一般不用来判断官能团的种类。极端情 况可在羧基(Carboxyl)和碳酸盐基(Carbonate group)中观 察到，其单键氧具有较高的结合能。 表3：有机物样品的典型O 1s结合能值 化学环境 官能团 结合能(eV) Carbonyl羰基, 酮 C=O, O−C=O 531.1-531.8 Alcohol醇，羟基, Ether醚 C−O−H, C−O−C 532.3-533.3 Ester酯 C−O−C=O 533.3 Water H2O 535.5-536.1 *有效结合能值将依赖于官能团所处的特殊环境。大多数范围在0.2eV之内
(3)N1s结合能 许多常见的含氮官能团中Nls电子结合能均在399~401ev的窄范围内, 这些包括-CN、-NH2- OCONH、-CONH2。氧化的氮官能团具 有较高的Nls结合能:-ONO2≈408eV)、-NO2(≈407eV) ONO(≈405eV)。 I CN R-N=N-R NO NO RCEN RNO RNO RCNR : ke 氮氧化物 杂环氮 cO R N 398 400402 406408 N结合能(eV) 约中国收术大
(3) N1s结合能 许多常见的含氮官能团中N1s电子结合能均在399～401eV的窄范围内， 这些包括−CN、−NH2、−OCONH−、−CONH2。氧化的氮官能团具 有较高的N1s结合能：−ONO2 (408eV)、−NO2 (407eV)、 −ONO(405eV)
n Is BINDING ENERGIES (eV) RELatIVE to SATURATED HYDROCARBON(C 1s= 285.00eV) functional N Is BE(eV) Polymer Functional N Is BE(ev PPP P=N一P 3979 N12 39984 PEI 39907 40032 39992 PUa N一C-N 39989 2VP Aromate N 399.30 P4VP Aromatic N 39934 PAN 39957 KAPS 40060 PMAN C三N 39957 PAM 39983 ULTEM 40040 PMAM 39996 PAAHC 一NH3 40146 PVp 39988 PVBTMAC N(CH,h 40214 PNS 一NO2 40545 N46 N 39981 CTN -ONO, 408.15 399.77 约中国收术大
(4)价带谱 价带谱能直接反映化合物外层电子结构。在聚合物中,价带谱 对于各种类型的同分异构现象(结构、交联及立体的)以及构 型规则性和几何结构都是很灵敏的。 XPS价带谱常常提供非常有用的定性信息,用作指纹谱来区分 类似的体系。 Poly( propylene) Poly(ethylene) Binding energy (ev) 约中国收术大
(4)价带谱 价带谱能直接反映化合物外层电子结构。在聚合物中，价带谱 对于各种类型的同分异构现象（结构、交联及立体的）以及构 型规则性和几何结构都是很灵敏的。 XPS价带谱常常提供非常有用的定性信息，用作指纹谱来区分 类似的体系
ESCA studies of polyimide(聚酰亚胺) Pyromellitic dianhydride--oxydianiline PMDA-ODA ODA Part C KLLAuger PMDA Part POLYIMIDE O KLI OIs CIs NIs 6060元0605604d03260-100 Binding
ESCA studies of polyimide(聚酰亚胺) Pyromellitic dianhydride -- oxydianiline PMDA - ODA C KLL Auger