现代表面分析技术-界面化学.ppt

由于固体表面的复杂性，对其表面结 构、形态的表征受到限制。近20年来，由 于高真空技术和电子技术的快速发展，使 得对表面的形貌、组织结构、表面成分等 的研究取得长足的进步。 本章对表面谱、表面形貌显微技术等 常用的表面分析的方法作简单介绍。 第16章 现代表面分析常用 技术简介 1.光电子能谱 （photoelectron spectroscopy,PES) 具有足够能量的光子入射到样品，经相互 作用后，使样品中原子或分子中的电子克 服其结合能，而产生光电子e- ，反应表示 为： S+h S+*+e- 光电子能谱图 出射的光电子具有一定的动能，若利用监 测器检测其动能，经放大器就可以记录 样品中被 击出具有动能Ek的光电子数 n(Ek)，这就是光电子能谱。 以Ek为横坐标， n(Ek)为纵坐标作图，就 得到光电子能谱图。 若入射光的能量为hv，原子、分子 中的电子结合能为Eb，光电子动能为Ek， 根据能量守恒原理有 若入射光用紫外线时，激发原子的外 层电子，称为紫外光电电子能谱谱（ ultraviolet photoelectron spectroscopy,UPS ）。 若用X射线作为入射光，主要是激发原 子的内层电子，称为X射线线光电电子能谱谱 X射线线光电电子能谱谱 X射线线光电电子能谱谱 (X-ray photoelectron spectroscopy,XPS) X射线光电子能谱常采用的靶主要是铝靶 和镁靶。 用15KeV的电子轰击铝靶，其产生的特征 X射线的能量为1486.6eV,线宽0.85eV， 镁靶的特征X射线的能量是1253.6eV，线 宽0.70eV。 X射线线光电电子能谱谱 如果再使用石英晶体单色器，可将X射线 单色化，线宽降低到0.3eV，这样可使分 辨率较好。 它们的能量可以击出各种元素的内层电子 ，所击出的光电子的能量为102-103eV。 X射线线光电电子能谱谱 元素的特征峰 X射线光电子能谱中可以观察到元素的特 征峰，与样品的物理化学性质有关。 元素的特征峰反应了内层电子的性质，由 于内层电子能级间隔较大，容易在X射线 光电子能谱中分辨开来，故XPS适宜于进 行元素的定性分析。 X射线线光电电子能谱谱 化学位移 原子所处的化学和物理环境改变，会使 特征峰移动，这称为化学位移。 一般来说，原子外层电子密度减少时（ 如氧化数增大或与电负性较大的原子相连 ），内层电子受到的有效核电荷将略微增 大，结合能增大，反之，结合能减小。 利用化学位移，可以分析原子的成键情 况和价态的变化。 X射线线光电电子能谱谱 使用XPS测试样品，一般是利用特征峰 的峰面积，用相对灵敏度因子法进行半定 量分析，一般测量误差10%-20%，检测灵 敏度为0.1%左右。 样品用量少（约10-8g)，不需要进行样 品前处理，可以给出元素化学态信息，进 而可以分析出化合物的组成。 显微镜发展迅速，种类很多，可在宽广的范围内 来观察表面的形貌和显微组织。 2.观察表面形态显微镜 透射电子显微镜 (Transmission electron microscope,TEM) 扫描电子显微镜 (scanning electron microscope,SEM) 扫描隧道显微镜 (scanning transmission electron microscope,STM) 原子力显微镜 (atomic force microscope,AFM) 扫描电子显微镜原理 扫描电子显微镜 以电子探针对试样进行扫描轰击， 将被轰击微区发出的二次电子信息（包 括二次电子、特征X射线、阳极荧光等） 用探测器逐个加以收集，经过适当处理 并放大， 依此放大信号来调制同步扫描的显像管 的亮度，在显像管的荧光屏上得到该信息 提供的样品图像。 扫描电子显微镜 电子枪，由1-30KV高压电通过钨丝产生热电子流并给予加 速，经一系列电磁聚光镜等使电子束缩小到直径为5-10nm 后轰击到试样上进行扫描 样品室和样品台，四周壁上开有许多窗口以放置各种探测器 及置换样品的进出口，样品台有5个自由度，可以调节样品 达到要求的位置 探测器，二次电子从试样表面发射出来，闪烁体把电子的动 能转化为光能，光信号通过光电倍增管阴极转化成电信号， 经多极放大输入显像管调制成像 扫描电子显微镜 SEM是常用的材料表面的测试仪器，其放大倍数 达几十万倍。 SEM要求试样为导电体，非导体试样应事先镀上 导电层，如金、银或碳等。 SEM可以研究所有材料的表面结构，如 共混物、共聚物的分布形态， 聚合物网络、交联程度 二相聚合物微区结构 膜表面 非对称膜的断面结构 纳米粒子的形貌 粒径的测量 3.红外光谱 傅里叶交换红外光谱（Fourier transform infrared spectrometer,FTIR ） 是基于光相干性原理而设计的干涉型红外 分光光度计，不同于色散型红外分光光度 计，被称为第三代红外光谱仪。 第一代是棱镜作为色散元件，依据光的折 射原理 第二代是光栅作为色散元件，依据光的衍 射原理 FT-IR的部件构成 目前所用的干涉仪大多数都是麦克尔逊（ Michelson）干涉仪。 红外光源干涉仪 检测器计算机记录仪 样品室 傅里叶变换红外光谱的基本方程是 I(x) 表示干涉图的强度，是光程差x的函数， 表示光源（被测对象）的强度，是光源波 长的函数， 表示频率。 由它记录干涉图并做出傳里叶余弦变换，就可得 到任何波数的光强 4.激光拉曼光谱 激光拉曼光谱 laser Raman spectrometer 是研究被样品散射的光，而不是吸收和发散的光 。 若入射光和Raman散射光的频率分别为 、 ，分子散射前后的能量分别是Ea，Eb，则有 这样测得Raman光谱频率位移 ，便可得 到分子能级。 激光拉曼