XPS實驗報告-參考(共7頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上電子能譜實驗實驗日期：2009-11-30 報告人：張麗穎（7）組 員：鄧春鳳、代慶娥、劉麗娜 實驗內(nèi)容：一、實驗目的(1) 了解X光電子能譜（XPS）測量原理、儀器工作結構及應用；(2) 通過對選定的樣品實驗，初步掌握XPS實驗方法及譜圖分析。二、實驗原理1、光電發(fā)射過程光子照射到樣品上，被樣品表面原子的電子吸收，逸出樣品表面。2、光電子能譜一定能量的電子、X光、UV等入射到（作用到）樣品上，將樣品表面原子中的不同能級的電子激發(fā)成自由電子，這些電子帶有樣品表面信息，具有特征能量，研究這類電子的能量分布，即為電子能譜分析。而以光子激發(fā)出自由電子得到的電子能譜稱為光電子

2、能譜，用X光激發(fā)得到的光電子能譜就叫做XPS。3、能量關系光電發(fā)射有：h+M M+e(Ek)，其中，h是入射光子，M是樣品原子，Ek是光電子動能。得到能量關系（Einstein 關系）：Ek = h- Eb Eb= h-Ek-sa（固體），其中，h是光子能量，Eb是結合能（相對于費米能級EF），Ek是光電子動能，sa是固體樣品功函數(shù)。實際實驗中是將樣品與分析器相連接地，二者處于相同電位上，能量關系如圖1所示，光電子結合能又可表示為：Eb=hv-Ek-sa . 樣品=hv-Ek-sp .儀器 其中sp是儀器功函數(shù)。圖1. 固體樣品的光電子發(fā)射能量關系圖4、化學態(tài)分析 物理位移：由于物理因素而引起

3、的結合能位移為物理位移，如相變，固體熱效應，荷電效應等。其中荷電效應是由于樣品光電子的逸出使樣品電位升高，對后續(xù)實驗產(chǎn)生的光電子有吸引作用，導致測量得到的結合能高于實際值?；瘜W位移：由于原子處于不同的化學環(huán)境而引起的結合能的位移（Eb）為化學位移。結合能化學位移變化規(guī)律：(a) 同一元素中，1s, 2s, 2p1/2, 2p3/2, 3s, 3p1/2, 3p3/2, 3d5/2, 3d3/2, .結合能變小。(b) 同一周期內(nèi)主族元素結合能Eb 位移隨化合價的升高線性增加；而過渡元素的Eb 隨化合價變化相反，如圖為元素氧化物的結合能位移Eb 與原子序數(shù)Z 間的關系。(c) 分子M 中某原子A

4、 的內(nèi)層電子結合能位移EbA同它周圍的結合的原子電負性之和X有一定的關系。(d) NMR, Mossbauer 譜，IR 關系； 在分子（化合物）分析中，(少數(shù)化合物)XPS 的Eb與NMR, Mossbauer 譜的Eb 成正比。(e) 反應熱6、俄歇效應圖2.俄歇過程原子能級圖 當X射線輻射到物體上時，由于光子能量很高，能穿入物體，使原子內(nèi)殼層上的束縛電子發(fā)射出來。當一個處于內(nèi)層電子被移除后，在內(nèi)殼層上出現(xiàn)空位，而原子外殼層上高能級的電子可能躍遷到這空位上，同時釋放能量，這部分能量被同層或能級更高的外殼層電子吸收成為自由電子，這種自由電子叫做俄歇電子，俄歇電子的能級躍遷圖如圖2所示。俄歇電

5、子為內(nèi)轉(zhuǎn)換電子，能量為Ewxyk（Z），對于固體材料，需考慮功函數(shù)，原子序數(shù)為Z 時, 從固體中激發(fā)出來的俄歇電子的能量可以用下面經(jīng)驗公式計算：EWXY(Z)=EW(Z)-EX(Z)-EY(Z+)-式中，EWXY(Z)是原子序數(shù)為Z的原子，W 空穴被X電子填充得到的俄歇電子Y 的能量，EW(Z)-EX(Z)是X 電子填充W空穴時釋放的能量，EY(Z+)是Y電子電離所需的能量。如果電子束（或其它荷能粒子）將某原子K 層電子激發(fā)為自由電子，L層電子躍遷到K層，釋放的能量又將L層的另一個電子激發(fā)為俄歇電子，這個俄歇電子就稱為KLL俄歇電子。由于H、He原子只有一個主殼層由電子存在，故無俄歇電子能譜。

6、圖3.一般X光電子譜儀的構造方框圖5、XPS 儀器裝置的方框圖。 圖3是一般X光電子譜儀的構造圖，而本次實驗采用了半球形能量分析器，故X光電子譜儀的構造如圖4所示。圖4.采用半球形分析器的X光電子譜儀三、實驗結果 本次實驗采用的是AlK X射線源，能量是hv=1486.6eV。寬程及窄程掃描得到的能譜圖見后面附圖。1、寬程掃描確定樣品成分 能量分析掃面范圍設在(01400) eV范圍內(nèi)，在圖譜中讀取最強峰X=289.2eV處，查表得知與元素C（1S1/2）的結合能285eV接近；又在X=1225eV處找到了C（KL23L23）的俄歇峰，由此確定樣品含有C元素。 在圖譜中讀取次強峰X=533.4

7、eV，查表得知與元素O（1S1/2）的結合能531eV接近；又在X=978eV處找到了O（KL23L23）的俄歇峰，由此確定樣品含有O元素。 在圖譜中扣除本底，讀取峰X=101.5eV，查表得知與元素Si（2P）的結合能99eV接近；又在X=153.5eV處找到了另一個峰，與元素Si（2S1/2）的結合能152eV接近，由此確定樣品含有Si元素。 以上結果均在圖5中標出。2、窄程掃描確定元素化學狀態(tài) 在C、O、Si最強峰附近進行窄程掃描?？鄢镜缀螅_讀取C元素最強峰位X=286.3eV，查得與污染碳284.8eV最接近，故確定該樣品中含有污染碳?？梢砸姷綄嶋H實驗結果與理論結果有1.5eV的

8、位移，這是由于荷電效應的物理位移造成的，故所有窄程掃描都左移1.5eV進行校正，結果如圖6所示。 校正后得到的O元素最強峰位X=532.4eV，查得與SiO2的O元素很接近，故確定樣品中O元素以SiO2的狀態(tài)存在，結果如圖7所示。 校正后得到的Si元素圖譜存在兩個峰，最強峰位X=99.6eV，查得與純Si（100）很接近，而另一個較低的峰位X=103.36eV，查得與SiO2中Si元素接近，故確定樣品中Si元素的存在狀態(tài)有純Si及SiO2，結果如圖8所示。 最終確定該樣品是純Si樣品表面有自然氧化的SiO2及污染C。3、物質(zhì)含量分析 利用軟件分析樣品元素含量，結果如表1所示。四、簡答題：(1)

9、 比較XPS 和AES 原理和分析方法上主要的特征。答：原理上，XPS的本質(zhì)是光電效應，是電子吸收光子變成自由電子的過程；AES的本質(zhì)是電子的能級躍遷，是原子內(nèi)殼層電子發(fā)生光電效應后產(chǎn)生空位，外殼層電子躍回到該空位時，將釋放的能量交給同層或更外層的電子，使之成為自由電子的過程。由此可見，雖然兩個過程最終都會產(chǎn)生自由電子，但二者變成自由電子吸收的能量來源不同，XPS的自由電子能量來源是入射X光，而AES的自由電子能量來源是外殼層與內(nèi)殼層的能量差。 分析方法上，首先，XPS與AES均是通過探測自由電子的動能來分析樣品成分，但是，XPS的自由電子動能與樣品元素種類、化學狀態(tài)還有入射光子能量有關，而A

10、ES是原子內(nèi)部兩個或三個能級的能級差有關，只與樣品元素種類及化學狀態(tài)有關，與入射光子能量無關。其次，XPS最終在圖譜中顯示的是元素結合能（相對于費米能級），但AES最終在圖譜中顯示的是參與俄歇過程的兩個或三個能級得結合能之差。(2) 用AlK（hv=1486.6eV）和MgK（hv1253.6eV）激發(fā)Cu2p的光電子的動能相同嗎？Cu2p3/2 和Cu2p1/2 的結合能分別約為933eV和953eV，請計算動能值。信號電子（動能大于200eV）的非彈性散射平均自由程滿足經(jīng)驗公式=0.1*Ek/a(lnEk+b) （單位nm），其中Ek為逸出光電子的動能（以eV為單位），取常數(shù)a10，b=

11、-2.3。定義逸出深度d=3，請計算上述Cu2p 光電子的逸出深度，并作比較。答：不同。用AlK（hvAl=1486.6eV）激發(fā)Cu2p1/2的光電子動能逸出深度是激發(fā)Cu2p3/2的光電子動能是 ，逸出深度是用MgK（hvMg=1253.6eV）激發(fā)Cu2p1/2的光電子動能逸出深度是激發(fā)Cu2p3/2的光電子動能是 ，逸出深度是(3) 為什么說XPS是一種表面分析方法?試再列舉出2 種表面分析方法，并作比較。答：一般常規(guī)XPS得到的光電子的能量，小于2000eV，在固體中逃逸深度一般約為3×0.5nm3×10nm. 因此XPS 只能分析表層。電子顯微鏡（SEM），其原

12、理是當一束高能的入射電子轟擊物質(zhì)表面時，被激發(fā)的區(qū)域?qū)a(chǎn)生、俄歇電子、特征和連續(xù)譜X射線、背散射電子、透射電子，以及在可見、紫外、紅外光區(qū)域產(chǎn)生的電磁輻射等，根據(jù)上述不同信息產(chǎn)生的機理，采用不同的信息檢測器，獲取被測樣品本身的各種物理、化學性質(zhì)的信息。掃描電子顯微鏡由三大部分組成：系統(tǒng)，電子束系統(tǒng)以及成像系統(tǒng)。XPS只能測量二次電子的動能，而SEM可以測定多種信號，包括被散射電、二次電子、X射線等；XPS主要用于測定樣品元素種類、化學成分及含量，無法觀測樣品表面形貌，而SEM既可以通過如對二次電子、背散射電子的采集得到有關物質(zhì)微觀形貌的信息，又可通過對x射線的采集得到物質(zhì)化學成分的信息等。掃描

13、隧道顯微鏡（STM），其原理是以原子尺度的極細探針（針尖）及樣品（表面）作為電極，當針尖與樣品表面接近（1nm）時，在偏壓作用下產(chǎn)生隧道電流，由于電流強度隨針尖與樣品距離成指數(shù)規(guī)律變化，通過測量隧道電流強度還原樣品表面形貌。 XPS需要電子束或高能射線來提供入射光子，而STM不需要，故XPS對樣品有一定損傷，而STM對樣品沒有損傷；XPS探測的信號是二次電子，而STM探測的信號是隧道電流，XPS可測定樣品元素種類、化學成分及含量，但無法觀測樣品表面形貌，但STM只能觀測樣品表面形貌，但無法分析樣品化學成分。(4) 解釋XPS 中的化學位移，如何測定樣品的化學位移。答：由于原子處于不同的化學環(huán)境

14、而引起的結合能的位移（Eb）被稱為化學位移。不同元素結合能化學位移有一定變化規(guī)律：(a) 同一元素中，1s, 2s, 2p1/2, 2p3/2, 3s, 3p1/2, 3p3/2, 3d5/2, 3d3/2, . 結合能變小。(b) 同一周期內(nèi)主族元素結合能Eb位移隨化合價的升高線性增加；而過渡元素的Eb隨化合價變化相反，如圖為元素氧化物的結合能位移Eb與原子序數(shù)Z間的關系。(c) 分子M中某原子A 的內(nèi)層電子結合能位移EbA同它周圍的結合的原子電負性之和X有一定的關系。(d) NMR、Mossbauer譜、IR關系；在分子（化合物）分析中，(少數(shù)化合物)XPS的Eb與NMR、Mossbauer譜