現(xiàn)代材料分析方法XPS

X射線光電子譜(XPS)

X-rayPhotoelectronSpectroscopy當(dāng)前1頁，總共28頁。X射線光電子譜

引言X射線光電子譜(XPS)是重要的表面分析技術(shù)之一。它不僅能探測(cè)表面的化學(xué)組成，而且可以確定各元素的化學(xué)狀態(tài)，因此，在化學(xué)、材料科學(xué)及表面科學(xué)中得以廣泛地應(yīng)用。XPS是瑞典Uppsala大學(xué)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(shù)問題，測(cè)定了元素周期表中各元素軌道結(jié)合能，并成功地應(yīng)用于許多實(shí)際的化學(xué)體系。當(dāng)前2頁，總共28頁。KaiSeigbahn:Developmentof

X-rayPhotoelectronSpectroscopyNobelPrizeinPhysics1981(Hisfather,ManneSiegbahn,wontheNobelPrizeinPhysicsin1924forthedevelopmentofX-rayspectroscopy)C.NordlingE.SokolowskiandK.Siegbahn,Phys.Rev.

1957,105,1676.當(dāng)前3頁，總共28頁。K.Siegbahn給這種譜儀取名為化學(xué)分析電子能譜(ElectronSpectroscopyforChemicalAnalysis)，簡稱為“ESCA”，這個(gè)名詞強(qiáng)調(diào)在X射線電子能譜中既有光電子峰也包含了俄歇峰，在分析領(lǐng)域內(nèi)廣泛使用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，XPS也在不斷地完善。目前，已開發(fā)出的小面積X射線光電子能譜，大大提高了XPS的空間分辨能力。X射線光電子譜

引言當(dāng)前4頁，總共28頁。當(dāng)前5頁，總共28頁。XPS

X射線光電子譜儀X射線激發(fā)源樣品室能量分析器樣品引進(jìn)系統(tǒng)抽真空系統(tǒng)電子倍增器顯示、記錄當(dāng)前6頁，總共28頁。XPS--X射線光電子譜儀（激發(fā)源）在一般的X射線光電子譜儀中，沒有X射線單色器，只是用一很薄(1?2m)的鋁箔窗將樣品和激發(fā)源分開，以防止X射線源中的散射電子進(jìn)入樣品室，同時(shí)可濾去相當(dāng)部分的軔致輻射所形成的X射線本底。將X射線用石英晶體的(1010)面沿Bragg反射方向衍射后便可使X射線單色化。X射線的單色性越高，譜儀的能量分辨率也越高。同步輻射源是十分理想的激發(fā)源，具有良好的單色性，且可提供10eV?10keV連續(xù)可調(diào)的偏振光。當(dāng)前7頁，總共28頁。N7N6N5N4N3N2N14f7/24f5/24d5/24d3/24p3/24p1/24s1/2M5M4M3M2M1L3L2L1K

3d5/23d3/23p3/23p1/23s1/22p3/22p1/22s1/21s1/2電子能級(jí)、X射線能級(jí)和電子數(shù)當(dāng)前8頁，總共28頁。典型XPS譜MOCVD制備的HgCdTe膜當(dāng)前9頁，總共28頁。典型XPS譜Fe的清潔表面當(dāng)前10頁，總共28頁。XPS

XPS中的化學(xué)位移

化學(xué)位移由于原子所處的化學(xué)環(huán)境不同而引起的內(nèi)層電子結(jié)合能的變化，在譜圖上表現(xiàn)為譜峰的位移，這一現(xiàn)象稱為化學(xué)位移。化學(xué)位移的分析、測(cè)定，是XPS分析中的一項(xiàng)主要內(nèi)容，是判定原子化合態(tài)的重要依據(jù)。

當(dāng)前11頁，總共28頁。XPS

XPS中的化學(xué)位移當(dāng)前12頁，總共28頁。XPS

XPS中的化學(xué)位移當(dāng)前13頁，總共28頁。XPS

XPS分析方法

定性分析同AES定性分析一樣，XPS分析也是利用已出版的XPS手冊(cè)。當(dāng)前14頁，總共28頁。XPS

XPS分析方法化合態(tài)識(shí)別

在XPS的應(yīng)用中，化合態(tài)的識(shí)別是最主要的用途之一。識(shí)別化合態(tài)的主要方法就是測(cè)量X射線光電子譜的峰位位移。對(duì)于半導(dǎo)體、絕緣體，在測(cè)量化學(xué)位移前應(yīng)首先決定荷電效應(yīng)對(duì)峰位位移的影響。

當(dāng)前15頁，總共28頁。XPS

X射線光電子譜儀的能量校準(zhǔn)荷電效應(yīng)用XPS測(cè)定絕緣體或半導(dǎo)體時(shí)，由于光電子的連續(xù)發(fā)射而得不到足夠的電子補(bǔ)充，使得樣品表面出現(xiàn)電子“虧損”，這種現(xiàn)象稱為“荷電效應(yīng)”。荷電效應(yīng)將使樣品出現(xiàn)一穩(wěn)定的表面電勢(shì)VS，它對(duì)光電子逃離有束縛作用。當(dāng)前16頁，總共28頁。XPS

XPS分析方法化合態(tài)識(shí)別-光電子峰

由于元素所處的化學(xué)環(huán)境不同，它們的內(nèi)層電子的軌道結(jié)合能也不同，即存在所謂的化學(xué)位移。其次，化學(xué)環(huán)境的變化將使一些元素的光電子譜雙峰間的距離發(fā)生變化，這也是判定化學(xué)狀態(tài)的重要依據(jù)之一。元素化學(xué)狀態(tài)的變化有時(shí)還將引起譜峰半峰高寬的變化。當(dāng)前17頁，總共28頁。XPS

XPS分析方法化合態(tài)識(shí)別-光電子峰

S的2p峰在不同化學(xué)狀態(tài)下的結(jié)合能值當(dāng)前18頁，總共28頁。XPS

XPS分析方法化合態(tài)識(shí)別-光電子峰

Ti及TiO2中2p3/2峰的峰位及2p1/2和2p3/2之間的距離當(dāng)前19頁，總共28頁。XPS

XPS分析方法化合態(tài)識(shí)別-光電子峰

CF4C6H6COCH4半峰高寬(eV)0.520.570.650.72C1s在不同化學(xué)狀態(tài)下半峰高寬的變化當(dāng)前20頁，總共28頁。XPS

XPS分析方法深度剖析(1)利用逃逸深度與角度的關(guān)系：

λ=λmcosθ(2)利用離子濺射技術(shù)當(dāng)前21頁，總共28頁。XPS

XPS分析方法小面積XPS分析

小面積XPS是近幾年出現(xiàn)的一種新型技術(shù)。由于X射線源產(chǎn)生的X射線的線度小至0.01mm左右，使XPS的空間分辨能力大大增加，使得XPS也可以成像，并有利于深度剖面分析。

當(dāng)前22頁，總共28頁。當(dāng)前23頁，總共28頁。當(dāng)前24頁，總共28頁。Ni2P1/2線的高分辨XPS譜當(dāng)前25頁，總共28頁。XPS

XPS分析總結(jié)基本原理：光電效應(yīng)基本組成：真空室、X射線源、電子能量分析器輔助組成：離子槍主要功能：成分分析、化學(xué)態(tài)分析采譜方法：全譜、高分辨率譜分析方法：定性分析、定量分析當(dāng)前26頁，總共28頁。XPS

X射線光電子譜儀的能量校準(zhǔn)荷電效應(yīng)考慮荷電效應(yīng)有：其中ES=VSe為荷電效應(yīng)引起的能量位移，使得正常譜線向低動(dòng)能端偏移，即所測(cè)結(jié)合能值偏高。荷電效應(yīng)還會(huì)使譜鋒展寬、畸變，對(duì)分析結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。

當(dāng)前27頁，總共28頁。XPS

X射線光電子譜儀的能量校準(zhǔn)荷電效應(yīng)-中和法

制備超薄樣品；測(cè)試時(shí)用低能電子束中和試樣表面的電荷，使Ec<0.1eV