光电子能谱

光电子能谱实验报告一、实验目的1. 了解光电子能谱(xps)的基本原理、主要部件的功能；2. 了解光电子能谱对所观察与分析样品的要求；3. 了解光电子能谱所观察材料的微观组织结构和实际应用；4. 了解光电子能谱的特点以及与其他光谱的区别二、 实验仪器原理光电子能谱主要用于表面分析，由激发源发出的具有一定能量的X射线，电子束，紫外光，离子束或中子束作用于样品表面时，可将样品表面原子中不同能级的电子激发出来，产生光电子或俄歇电子等。这些自由电子带有样品表面信息，并具有特征动能通过能量分析器收集和研究它们的能量分布，经检测纪录电子信号强度与电子能量的关系曲线。此即为光电子能谱。光电子能谱所用到的基本原理是爱因斯坦的光电效应定律。材料暴露在波长足够短（高光子能量）的电磁波下，可以观察到电子的发射。这是由于材料内电子是被束缚在不同的量子化了的能级上，当用一定波长的光量子照射样品时，原子中的价电子或芯电子吸收一个光子后，从初态作偶极跃迁到高激发态而离开原子。最初，这个现象因为存在可观测得光电流而称为光电效应；现在，比较常用的术语是光电离作用或者光致发射。若样品用单色的、即固定频率的光子照射，这个过程的能量可用Einstein关系式来规定：h=Ek+Eb式中h为入射光子能量，Ek是被入射光子所击出的电子能量，Eb为该电子的电离能，或称为结合能。光电离作用要求一个确定的最小光子能量，称为临阈光子能量h0。对固体样品，又常用功函数这个术语，记做。对能量h显著超过临阈光子能量h0的光子，它具有电离不同电离能（只要Ebh）的各种电子的能力。一个光子对一个电子的电离活动是分别进行的。一个光子，也许击出一个束缚很松的电子并将高动能传递给它；而另一个同样能量的光子，也许电离一个束缚的较紧密的电子并产生一个动能较低的光电子。因此，光电离作用，即使使用固定频率的激发源，也会产生多色的，即多能量的光致发射。因为被电子占有的能级是量子化的，所以光电子有一个动能分布n（E），由一系列分离的能带组成。这个事实，实质上反映了样品的电子结构是“壳层”式的结构。用分析光电子动能的方法，从实验上测定n（E）就是光电子能谱（PES）。将n（E）对E作图，成为光电子能谱图。那样简单的光电子谱图，对电子结构的轨道模型提供了最直接的，因而也是最令人信服的证据。严格的讲，光电子能谱应该用电离体系M+的多电子态方法来解释，比用中性体系M的已占单电子态（轨道）为好。光电子能谱仪主要由6个部分组成：激发源、样品电离室、电子能量分析器、电子检测器、真空系统和数据处理系统等组成。激发源常用紫外辐射源和 X射线源。使用紫外辐射源作为激发源的称为紫外光电子能谱,使用X射线的称为X 射线光电子能谱，统称为光电子能谱。（1）真空系统：目的是使电子不被残余气体分子散射，并避免残余气体分子吸附所引起的样品表面污染。一般在实验中，气体压力1.33*10-7Pa 是可以接受的。现成的抽气系统有：带液氮冷阱的水冷油扩散泵，涡轮分子泵，溅射离子泵，钛升华泵，低温泵。前三类泵常常用于主抽气系统，其余的往往充当辅泵。以这种方式抽空并经100160Cº 条件下烘烤一夜的系统，可获得1.33*10-8 乃至更低一些的基压。并且，这套系统日常还需要做定期的烘烤。（2）样品处理部分：包括有三个真空室，第一个真空室用于进出样品，第二个起真空缓冲作用，并在其内部作样品的制备和处理，样品在第三个真空室里被X 射线照射得到光电子。（3）X射线源：热灯丝发射出电子，经电场加速，轰击阳极靶（通常为Al 或Mg），发出X 射线（Al 的特征谱线为1486.6ev，Mg 的特征谱线为1253.6ev），这样的X 射线是由多种频率的X 射线叠加而成的。实验中常常使用石英晶体单色器，将得到的X 射线单色化。（4）电子能量分析器：作用是测量由样品表面发射出来的能量分布，所得光电子谱是一幅电子流强度相对于动能的图。（5）检测器图 1.1 光电子能谱仪Fig 1.1 X-ray photoelectron spectroscopy 图 1.2 光电子能谱示意图Fig 1.2 The Schematic diagram of XPS三、实验步骤（1）样品处理和进样 将大小合适的样品送入快速进样室。开启低真空阀，用机械泵和分子泵抽真空到10-3 Pa。然后关闭低真空阀，开启高真空阀，使快速进样室与分析室连通，把样品送到分析室内的样品架上，关闭高真空阀。（2） 仪器硬件调整 通过调整样品台位置和倾角，使掠射角为90（正常分析位置）。待分析室真空度达到510-7 Pa后, 选择和启动X枪光源, 使功率上升到250W。（3）仪器参数设置和数据采集 定性分析的参数设置为：扫描的能量范围为0-1200 eV, 步长为1eV/步, 分析器通能为89.0 eV, 扫描时间为2 min。 定量分析和化学价态分析的参数设置为：扫描的能量范围依据各元素而定, 扫描步长为0.05 eV/步，分析器的通能为37.25 eV, 收谱时间为510min。四、个人心得通过本次实验以及老师的详细讲解我对光电子能谱仪的工作原理以及分析之前