X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS)

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,第五章,X-,射线光电子能谱(,X-ray Photoelectron Spectroscopy(XPS)ESCA,),一 概述,表面分析技术(,Surface Analysis),是对材料外层(,the Outer-Most Layers of Materials(100,),的研究的技术,。,包括：,1 电子谱学(,Electron,Spectroscopies,),X-,射线光电子能谱,XPS:X-ray Photoelectron Spectroscopy,俄歇能谱,AES:Auger Electron Spectroscopy,电子能量损失谱,EELS:Electron Energy Loss Spectroscopy,2,离子谱学,Ion,Spectroscopies,二次离子质谱,SIMS:,Secondary Ion Mass Spectrometry,溅射中性质谱,SNMS:,Sputtered Neutral Mass Spectrometry,离子扫描能谱,ISS:,Ion Scattering Spectroscopy,二,XPS,的概念,XPS,也叫,ESCA（,Electron Spectroscopy for Chemical Analysis），,是研究表面成分的重要手段。,原理是光电效应（,photoelectric effect）。1960s,由,University of,Uppsala,Sweden,的,Kai,Siegbahn,等发展。,EMPA,中,X,射线穿透大，造成分析区太深。而由于电子穿透小，深层所产生的电子不出现干扰，所以可对表面几个原子层进行分析。,（吸附、催化、镀膜、离子交换等领域）,X-ray Beam,X-ray penetration depth 1,m,m.,Electrons can be excited in this entire volume.,X-ray excitation area 1x1 cm,2,.Electrons are emitted from this entire area,Electrons are extracted only from a narrow solid angle.,1,mm,2,10,nm,Conduction Band,Valence Band,L2,L3,L1,K,Fermi,Level,Free,Electron,Level,光：,Incident X-ray,发射出的光电子,Ejected Photoelectron,1,s,2,s,2,p,三 光电效应,（Photoelectric Process）,1电磁波使内层电子激发，并逸出表面成为光电子，测量被激发的电子能量就得到,XPS,，,不同元素种类、不同元素价态、不同电子层,(1,s,2s,2p,等,),所产生的,XPS,不同。,2,被激发的电子能量可用下式表示：,KE,=,hv,-,BE,-,spec,式中,hv,=,入射光子（,X,射线或,UV）,能量,h=Planck constant(6.62 x 10,-34,J s),v-frequency(Hz),BE,=,电子键能或结合能、电离能（,Electron Binding Energy）,KE,=,电子动能（,Electron Kinetic Energy）,spec,=,谱学功函数或电子反冲能（,Spectrometer Work Function）,谱学功函数极小，可略去，得到,KE=,hv,-BE,：,3,元素不同，其特征的,电子键能不同。测量电子动能,KE,，就得到对应每种元素的一系列,BE-,光电子能谱，就得到电子键能数据。,4 谱峰强度代表含量，谱峰位置的偏移代表价态与环境的变化-化学位移。,1激发光源,X,射线（软,X,射线；,Mg K,:,hv,=1253.6,eV,；Al K,:,hv,=1486.6,eV,）或,UV；,2,电子能量分析器-对应上述能量的分析器，只可能是表面分析；,3高真空系统：超高真空腔室,super-,high vacuum chamber,（,UHV,避免光电子与气体分子碰撞的干扰。,四,XPS,的仪器,Instrumentation for XPS,XPS,的仪器,Instrumentation for XPS,XPS,的仪器,Instrumentation for XPS,钯的,XPS（XPS spectrum obtained from a Pd metal sample using MgKa radiation);,主峰在,330,690,720,910 and 920,eV,。,将,KE,转换为,BE，,得到下页图-注意坐标左右颠倒。,1.价带(4,d,5,s,),出现在 0-8,eV,。,2 4,p,、4,s,能级出现在,54、88,eV,。,3.335,eV,的最强峰由 3,d,能级引起。,4 3,p,和3,s,能级出现在 534/561,eV,和 673,eV,。,5.,其余峰非,XPS,峰，而是,Auger,电子峰。,例：试作出在,Mg K,a,(,h,n,=1253.6,eV,),作用下,Na,的,XPS,示意谱图，,Na,的能级分布如右图。,解：由,KE=,hv,-BE,KE,1s,=(1253.6-1072)=,182,eV,KE,2s,=(1253.6-64)=,1190,eV,KE,2p,=(1253.6-31)=,1223,eV,五俄歇电子能谱,AES(Auger electron,Spectrocopy,),光子作用下：,K,层电离；,L,层补充跃迁；能量使另一层,L,电子激发成,AuE,。,即双级电离过程：,A,*+,=A,2+,+e,-,。,AES,特点：,1 受价态影响；,2 受结合态影响；,3 受表面势垒影响。,与,XPS,相比，优点如下：,1 可用电子激发，并形成聚焦（,XPS,只能用,X、UV）；,2,可扫描得到,AuE,象，直观反映表面；,3电子束流可调小，使空间分辨率提高。,六,XPS（AES),的应用：,1,元素定性,2 定量分析,3 元素价态、结合态的研究。,实例1：,木乃依所用的颜料分析,150,145,140,135,130,Binding Energy(,eV,),PbO,2,Pb,3,O,4,500,400,300,200,100,0,Binding Energy(,eV,),O,Pb,Pb,Pb,N,Ca,C,Na,Cl,XPS analysis showed that the pigment used on the mummy wrapping was Pb,3,O,4,rather than Fe,2,O,3,Egyptian Mummy,2nd Century AD,World Heritage Museum,University of Illinois,本章部分,PPT,图片由石和彬教授提供，谨致谢意！,完,