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1、XPS原理及分析一、概述X射線光電子譜是重要的表面分析技術之一。它不僅能探測表面的化學組成，而且可以確定各元素的化學狀態(tài)，因此，在化學、材料科學及表面科學中得以廣泛地應用。X射線光電子能譜是瑞典Uppsala大學K.Siegbahn及其同事經(jīng)過近20年的潛心研究而建立的一種分析方法。他們發(fā)現(xiàn)了內(nèi)層電子結(jié)合能的位移現(xiàn)象，解決了電子能量分析等技術問題，測定了元素周期表中各元素軌道結(jié)合能，并成功地應用于許多實際的化學體系,K.Siegbahn因此獲1981諾貝爾獎。二、X射線光電子能譜分析的基本原理電子能譜分析是一種研究物質(zhì)表層元素組成與離子狀態(tài)的表面分析技術，其基本原理是用單色射線照射樣品
2、，使樣品中原子或分子的電子受激發(fā)射，然后測量這些電子的能量分布。通過與已知元素的原子或離子的不同殼層的電子的能量相比較，就可確定未知樣品表層中原子或離子的組成和狀態(tài)。量子數(shù)表示電子運動狀態(tài)主量子數(shù)n:電子能量主要（并非完全）取決于n;n??電子能量?n＝1,2,3,…；通常以K(n=1),L(n=2),M(n=3)…表示相同的n表示相同的電子殼層角量子數(shù)l:決定電子云的幾何形狀；不同的l將電子殼層分成幾個亞層，即能級。L與n有關，給定n后，l＝0,1,2，…，(n－1);通常以s(l=0),p(l=1),d(l=2),f(l=3),…表示在給定殼層的能級上，l??電子能量略?2、原子能
3、級的劃分磁量子數(shù)ml:決定電子云在空間的伸展方向(取向)；給定l后，ml取+l和-l之間的任何整數(shù)，ml＝l,l-1,…,0,-1,…,-l；若l=0，則ml=0；若l=1，則ml=1,0,-1。自旋量子數(shù)ms:表示電子繞其自身軸的旋轉(zhuǎn)取向；與上述3個量子數(shù)無關。電子的軌道運動和自旋運動間存在電磁相互作用，即：自旋－軌道耦合作用的結(jié)果使其能級發(fā)生分裂，對l>0的內(nèi)殼層來說，這種分裂可用內(nèi)量子數(shù)j表示(j＝｜l＋ms｜＝｜l±1/2｜)若l＝0，則j＝1/2；若l＝1，則j＝l±1/2＝3/2或1/2;除s亞殼層不發(fā)生自旋分裂外，凡l>0的各亞殼層都將分裂成兩個能級?XPS出現(xiàn)雙峰?自旋
4、——軌道劈裂自旋－軌道劈裂l＝0l＝1l＝3l＝23、電子結(jié)合能一個自由原子或離子的結(jié)合能，等于將此電子從所在的能級轉(zhuǎn)移到無限遠處所需的能量。4、XPS信息深度5、化學位移同種原子由于處于不同的化學環(huán)境，引起內(nèi)殼層電子結(jié)合能的變化，在譜圖上表現(xiàn)為譜線的位移，這種現(xiàn)象稱為化學位移。所謂某原子所處化學環(huán)境不同，一是指與它結(jié)合的元素種類和數(shù)量不同，二是指原子具有不同的價態(tài)。原子內(nèi)殼層電子的結(jié)合能隨原子氧化態(tài)的增高而增大；氧化態(tài)愈高，化學位移也愈大。三、XPS裝置組成：x射線源樣品臺電子能量分析器電子探測和倍增器數(shù)據(jù)處理與控制真空系統(tǒng)核心部件：激發(fā)源；能量分析器；和電子探測器儀器說明儀器名稱：
5、X射線光電子能譜儀產(chǎn)品型號：KratosAXISUltraDLD生產(chǎn)廠家：日本島津-KRATOS公司x射線源：要求：能量足夠激發(fā)芯電子層；強度產(chǎn)生足夠的光電子通量；線寬（決定XPS峰的半高寬FWHM）盡量窄；Mg、Al源MgKa；AlKaMg/Al雙陽極x射線源電子能量分析器：核心部件2種結(jié)構：筒鏡分析器CMA：點傳輸率很高，有很高信噪比。XPS為提高分辨率，將2個同軸筒鏡串聯(lián)同心半球分析器CHA：兩半球間的電勢差產(chǎn)生1/r2的電場，只有選定能量的電子才能到達出口。前面放置一透鏡或柵極→電子減速→電子動能可選定在一預設值（通道能量）?提高靈敏度半球形電子能量分析器改變ΔV便可選擇不同的
6、EK，如果在球形電容器上加一個掃描電壓，會對不同能量的電子具有不同的偏轉(zhuǎn)作用，從而把能量不同的電子分離開來。四、xps譜圖典型譜圖橫坐標：電子束縛能(能直接反映電子殼層/能級結(jié)構)或動能；eV縱坐標：cps（Countspersecond），相對光電子流強度譜峰直接代表原子軌道的結(jié)合能典型譜圖Fe的清潔表面典型譜圖本征信號不強的XPS譜圖中，往往有明顯“噪音”不完全是儀器導致可能是信噪比太低，即待測元素含量太少增加掃描次數(shù)、延長掃描時間?噪音?注意：譜圖對比時測量參數(shù)必須一致。掃描1次掃描3次涂膜玻璃的Si2p譜1、xps光電子線及伴線A、光電子線最強的光電子線常常是譜圖中強度最大、峰
7、寬最小、對稱性最好的譜峰，稱為xps的主線。每一種元素都有自己最強的、具有表征作用的光電子線，它是元素定性分析的主要依據(jù)。Ti及TiO2中2p3/2峰的峰位及2p1/2和2p3/2之間的距離B、俄歇線原子中的一個內(nèi)層電子光致電離射出后，內(nèi)層留下一空穴，原子處于激發(fā)態(tài)。激發(fā)態(tài)離子要向低能轉(zhuǎn)化而發(fā)生馳豫；馳豫通過輻射躍遷釋放能量。輻射出的的射線波長在x射線區(qū)?x射線熒光躍遷使另一電子激發(fā)成自由電子?俄歇電子多以譜線群方式出現(xiàn)俄歇線OKLL、CKLL
