現(xiàn)代表面分析技術(shù)界面化學(xué)

第1頁，共20頁，2023年，2月20日，星期六1.光電子能譜（photoelectronspectroscopy,PES)具有足夠能量的光子入射到樣品，經(jīng)相互作用后，使樣品中原子或分子中的電子克服其結(jié)合能，而產(chǎn)生光電子e-

，反應(yīng)表示為：S+hνS+*+e-

第2頁，共20頁，2023年，2月20日，星期六光電子能譜圖出射的光電子具有一定的動能，若利用監(jiān)測器檢測其動能，經(jīng)放大器就可以記錄樣品中被擊出具有動能Ek的光電子數(shù)n(Ek)，這就是光電子能譜。以Ek為橫坐標(biāo)，n(Ek)為縱坐標(biāo)作圖，就得到光電子能譜圖。第3頁，共20頁，2023年，2月20日，星期六若入射光的能量為hv，原子、分子中的電子結(jié)合能為Eb，光電子動能為Ek，根據(jù)能量守恒原理有第4頁，共20頁，2023年，2月20日，星期六若入射光用紫外線時，激發(fā)原子的外層電子，稱為紫外光電子能譜（ultravioletphotoelectronspectroscopy,UPS）。若用X射線作為入射光，主要是激發(fā)原子的內(nèi)層電子，稱為X射線光電子能譜第5頁，共20頁，2023年，2月20日，星期六

X射線光電子能譜X射線光電子能譜(X-rayphotoelectronspectroscopy,XPS)X射線光電子能譜常采用的靶主要是鋁靶和鎂靶。用15KeV的電子轟擊鋁靶，其產(chǎn)生的特征X射線的能量為1486.6eV,線寬0.85eV，鎂靶的特征X射線的能量是1253.6eV，線寬0.70eV。第6頁，共20頁，2023年，2月20日，星期六

X射線光電子能譜如果再使用石英晶體單色器，可將X射線單色化，線寬降低到0.3eV，這樣可使分辨率較好。它們的能量可以擊出各種元素的內(nèi)層電子，所擊出的光電子的能量為102-103eV。第7頁，共20頁，2023年，2月20日，星期六

X射線光電子能譜元素的特征峰X射線光電子能譜中可以觀察到元素的特征峰，與樣品的物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。元素的特征峰反應(yīng)了內(nèi)層電子的性質(zhì)，由于內(nèi)層電子能級間隔較大，容易在X射線光電子能譜中分辨開來，故XPS適宜于進(jìn)行元素的定性分析。第8頁，共20頁，2023年，2月20日，星期六

X射線光電子能譜化學(xué)位移原子所處的化學(xué)和物理環(huán)境改變，會使特征峰移動，這稱為化學(xué)位移。一般來說，原子外層電子密度減少時（如氧化數(shù)增大或與電負(fù)性較大的原子相連），內(nèi)層電子受到的有效核電荷將略微增大，結(jié)合能增大，反之，結(jié)合能減小。利用化學(xué)位移，可以分析原子的成鍵情況和價態(tài)的變化。第9頁，共20頁，2023年，2月20日，星期六

X射線光電子能譜使用XPS測試樣品，一般是利用特征峰的峰面積，用相對靈敏度因子法進(jìn)行半定量分析，一般測量誤差10%-20%，檢測靈敏度為0.1%左右。樣品用量少（約10-8g)，不需要進(jìn)行樣品前處理，可以給出元素化學(xué)態(tài)信息，進(jìn)而可以分析出化合物的組成。第10頁，共20頁，2023年，2月20日，星期六顯微鏡發(fā)展迅速，種類很多，可在寬廣的范圍內(nèi)來觀察表面的形貌和顯微組織。2.觀察表面形態(tài)顯微鏡

透射電子顯微鏡(Transmissionelectronmicroscope,TEM)

掃描電子顯微鏡(scanningelectronmicroscope,SEM)

掃描隧道顯微鏡(scanningtransmissionelectronmicroscope,STM)

原子力顯微鏡(atomicforcemicroscope,AFM)常用的顯微鏡第11頁，共20頁，2023年，2月20日，星期六掃描電子顯微鏡原理掃描電子顯微鏡以電子探針對試樣進(jìn)行掃描轟擊，將被轟擊微區(qū)發(fā)出的二次電子信息（包括二次電子、特征X射線、陽極熒光等）用探測器逐個加以收集，經(jīng)過適當(dāng)處理并放大，依此放大信號來調(diào)制同步掃描的顯像管的亮度，在顯像管的熒光屏上得到該信息提供的樣品圖像。第12頁，共20頁，2023年，2月20日，星期六掃描電子顯微鏡電子槍，由1-30KV高壓電通過鎢絲產(chǎn)生熱電子流并給予加速，經(jīng)一系列電磁聚光鏡等使電子束縮小到直徑為5-10nm后轟擊到試樣上進(jìn)行掃描樣品室和樣品臺，四周壁上開有許多窗口以放置各種探測器及置換樣品的進(jìn)出口，樣品臺有5個自由度，可以調(diào)節(jié)樣品達(dá)到要求的位置探測器，二次電子從試樣表面發(fā)射出來，閃爍體把電子的動能轉(zhuǎn)化為光能，光信號通過光電倍增管陰極轉(zhuǎn)化成電信號，經(jīng)多極放大輸入顯像管調(diào)制成像SEM的組成部分第13頁，共20頁，2023年，2月20日，星期六掃描電子顯微鏡SEM是常用的材料表面的測試儀器，其放大倍數(shù)達(dá)幾十萬倍。SEM要求試樣為導(dǎo)電體，非導(dǎo)體試樣應(yīng)事先鍍上導(dǎo)電層，如金、銀或碳等。SEM可以研究所有材料的表面結(jié)構(gòu)，如共混物、共聚物的分布形態(tài)，聚合物網(wǎng)絡(luò)、交聯(lián)程度二相聚合物微區(qū)結(jié)構(gòu)膜表面非對稱膜的斷面結(jié)構(gòu)納米粒子的形貌粒徑的測量第14頁，共20頁，2023年，2月20日，星期六3.紅外光譜傅里葉交換紅外光譜（Fouriertransforminfraredspectrometer,FTIR）是基于光相干性原理而設(shè)計的干涉型紅外分光光度計，不同于色散型紅外分光光度計，被稱為第三代紅外光譜儀。第一代是棱鏡作為色散元件，依據(jù)光的折射原理第二代是光柵作為色散元件，依據(jù)光的衍射原理第15頁，共20頁，2023年，2月20日，星期六FT-IR的部件構(gòu)成目前所用的干涉儀大多數(shù)都是麥克爾遜（Michelson）干涉儀。紅外光源干涉儀檢測器計算機(jī)記錄儀樣品室第16頁，共20頁，2023年，2月20日，星期六傅里葉變換紅外光譜的基本方程是I(x)表示干涉圖的強(qiáng)度，是光程差x的函數(shù)，表示光源（被測對象）的強(qiáng)度，是光源波長的函數(shù)，表示頻率。由它記錄干涉圖并做出傳里葉余弦變換，就可得到任何波數(shù)的光強(qiáng)第17頁，共20頁，2023年，2月20日，星期六4.激光拉曼光譜激光拉曼光譜—laserRamanspectrometer是研究被樣品散射的光，而不是吸收和發(fā)散的光。若入射光和Raman散射光的頻率分別為、，分子散射前后的能量分別是Ea，Eb，則有這樣測得Raman光譜頻率位移，便可得到分子能級。第18頁，共20頁，2023年，2月20日，星期六激光拉曼光譜儀示意圖樣品單色儀檢測器計算機(jī)激光光源