《X射线光电子能谱学》 X-Ray Photoelectron Spectroscopy 原理、方法和应用 麻茂生 ○中国学收术大 UNiversity of Science and Technology of china
《X射线光电子能谱学》 X-Ray Photoelectron Spectroscopy 原理、方法和应用 麻茂生
课程目的 X射线光电子能谱学的基本物理原理? X射线光电子能谱能解决什么问题? X射线光电子能谱图怎样识别? X射线光电子能谱实验要注意那些问题? 中国苧孜术大存 University ofscience and Technolegy or cbina
课程目的 X射线光电子能谱学的基本物理原理？ X射线光电子能谱能解决什么问题？ X射线光电子能谱图怎样识别？ X射线光电子能谱实验要注意那些问题？
中囫鲱学孜术大多 University of Science and Technology of China 第1章XPS的物理基础 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
第1章 XPS的物理基础 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
11、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1960年代末发展成熟起来的 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。 XPS是表面灵敏的定量谱学技术,可分析材料中 存在的元素构成,经验式,以及元素的化学态和 电子态。 它是研究原子,分子和固体材料的有力工具。 中国苧孜术大存 University ofscience and Technolegy or cbina
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1960年代末发展成熟起来的 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。 XPS是表面灵敏的定量谱学技术，可分析材料中 存在的元素构成，经验式，以及元素的化学态和 电子态。 它是研究原子，分子和固体材料的有力工具
11.1、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,使原子发生光电离。所释放出的 电子具有原子的特征信息,亦即具有特征能量。 〉通过对这些电子特征信息的解析,可以获得物质 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。 中国苧孜术大存 University ofscience and Technolegy or cbina
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，使原子发生光电离。所释放出的 电子具有原子的特征信息，亦即具有特征能量。 通过对这些电子特征信息的解析，可以获得物质 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
111、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 面出射的光电子的能量分布。由于X射线的 Energy analysis 能量较高,所以得到的主要是原子内壳层轨 Photoelectron 道上电离出来的电子。XPS的物理基础:光 电效应。 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。 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 中国鳞我术大 University ofscience and Technolegy or cbina
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。 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
112、X射线光电子能谱的特性 除氢和氦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。 》需要超高真空实验条件 中国苧孜术大存 University ofscience and Technolegy or cbina
1.1.2、X射线光电子能谱的特性 除氢和氦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。 需要超高真空实验条件
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1~10m,依赖材料和实验 参数。 3.定量元素分析;检测限:0.1-1.0at% 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,15μm(小面积),1μm(成像)。 中国苧孜术大存 University ofscience and Technolegy or cbina
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1~10nm，依赖材料和实验 参数。 3. 定量元素分析；检测限：0.1–1.0 at% 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)，1m(成像)
113、XPS可提供的信息和功用 1.样品表面(1~12m)元素组成的定性和半定量测 定(误差<±10%); 2.表面或体相存在的污染(杂质)元素; 3.纯材料的实验式(无表面污染情况下); 4.样品中元素的化学态鉴别; 5.优异的化学信息和分子环境的信息(原子局域成 键状态、官能团、以及分子结构等信息); 6.详细的电子结构信息,电子态的结合能,电子态 密度,固体价电子能带结构和某些几何结构信息 7.各元素在表面分布均匀性(线扫描或化学成像) 8.样品内的元素深度分布均匀性(深度剖析)。 中国苧孜术大存 University ofscience and Technolegy or cbina
1.1.3、XPS可提供的信息和功用 1. 样品表面(1~12 nm)元素组成的定性和半定量测 定(误差<±10%)； 2. 表面或体相存在的污染(杂质)元素； 3. 纯材料的实验式（无表面污染情况下）； 4. 样品中元素的化学态鉴别； 5. 优异的化学信息和分子环境的信息（原子局域成 键状态、官能团、以及分子结构等信息）； 6. 详细的电子结构信息，电子态的结合能，电子态 密度，固体价电子能带结构和某些几何结构信息； 7. 各元素在表面分布均匀性（线扫描或化学成像） 8. 样品内的元素深度分布均匀性（深度剖析）
114、XPS可分析材料 固体(块材,薄膜,粉末,纤维) 无机化合物、聚合物、金属合金、半导体、陶瓷、催化 剂、玻璃、纸张和木材、纺织品、地矿材料、粘性油墨、 生物材料、医学植入体、离子改性材料、电池材料、纳 米材料等等 热点应用 纳米机电系统NEMS)、微机电系统(MEMS,生物活性 材料、传感器、复合材料、电活性材料、电子材料、光 电材料、多功能材料 中国苧孜术大存 University ofscience and Technolegy or cbina
1.1.4、XPS可分析材料 固体 (块材, 薄膜, 粉末, 纤维) 无机化合物、聚合物、金属合金、半导体、陶瓷、催化 剂、玻璃、纸张和木材、纺织品、地矿材料、粘性油墨、 生物材料、医学植入体、离子改性材料、电池材料、纳 米材料等等 热点应用 纳米机电系统(NEMS) 、微机电系统(MEMS), 生物活性 材料、传感器、复合材料、电活性材料、电子材料、光 电材料、多功能材料