XPS-AES区别.doc

X射线光电子能谱分析X射线光电子能谱分析(X-ray photoelectron spectroscopy analysis)1887年，Heinrich Rudolf Hertz发现了光电效应。二十年后的1907年，P.D. Innes用伦琴管、亥姆霍兹线圈、磁场半球 (电子能量分析仪)和照像平版做实验来记录宽带发射电子和速度的函数关系。待测物受X光照射后内部电子吸收光能而脱离待测物表面(光电子)，透过对光电子能量的分析可了解待测物组成,XPS主要应用是测定电子的结合能来实现对表面元素的定性分析，包括价态。XPS（X射线光电子能谱）的原理是用X射线去辐射样品，使原子或分子的内层电子或价电子受激发射出来。被光子激发出来的电子称为光电子。可以测量光电子的能量，以光电子的动能为横坐标，相对强度（脉冲/s）为纵坐标可做出光电子能谱图。从而获得试样有关信息。X射线光电子能谱因对化学分析最有用，因此被称为化学分析用电子能谱（Electron Spectroscopy for Chemical Analysis）。 其主要应用： 1，元素的定性分析。可以根据能谱图中出现的特征谱线的位置鉴定除H、He以外的所有元素。 2，元素的定量分析。根据能谱图中光电子谱线强度（光电子峰的面积）反应原子的含量或相对浓度。 3，固体表面分析。包括表面的化学组成或元素组成，原子价态，表面能态分布，测定表面电子的电子云分布和能级结构等。 4，化合物的结构。可以对内层电子结合能的化学位移精确测量，提供化学键和电荷分布方面的信息。 5，分子生物学中的应用。Ex：利用XPS鉴定维生素B12中的少量的Co。射线光电子能谱目录基本定义 基本原理 用途基本定义以X射线为激发光源的光电子能谱，简称XPS或ESCA1。处于原子内壳层的电子结合能较高，要把它打出来需要能量较高的光子,以镁或铝作为阳极材料的X射线源得到的光子能量分别为1253.6电子伏和1486.6电子伏， 此范围内的光子能量足以把不太重的原子的1s电子打出来。周期表上第二周期中原子的1s电子的XPS谱线见图1。结合能值各不相同，而且各元素之间相差很大，容易识别（从锂的55电子伏增加到氟的694电子伏），因此,通过考查1s的结合能可以鉴定样品中的化学元素。 除了不同元素的同一内壳层电子（inner shell electron）（如1s电子）的结合能各有不同的值而外，给定原子的某给定内壳层电子的结合能还与该原子的化学结合状态及其化学环境有关，随着该原子所在分子的不同，该给定内壳层电子的光电子峰会有位移，称为化学位移（chemical shift）。这是由于内壳层电子的结合能除主要决定于原子核电荷而外，还受周围价电子的影响。电负性比该原子大的原子趋向于把该原子的价电子拉向近旁，使该原子核同其1s电子结合牢固，从而增加结合能。如三氟乙酸乙酯CF3COOC2H5中的四个碳原子分别处于四种不同的化学环境，同四种具有不同电负性的原子结合。由于氟的电负性最大， CF婣中碳原子的C(1s)结合能最高（图2）。通过对化学位移的考察,XPS在化学上成为研究电子结构和高分子结构、链结构分析的有力工具。 基本原理X射线光子的能量在10001500ev之间，不仅可使分子的价电子电离而且也可以把内层电子激发出来，内层电子的能级受分子环境的影响很小。 同一原子的内层电子结合能在不同分子中相差很大，故它是特征的。光子入射到固体表面激发出光电子，利用能量分析器对光电子进行分析的实验技术称为光电子能谱。 用途对固体样品的元素成分进行定性、定量或半定量及价态分析。 固体样品表面的组成、化学状态分析，广泛应用于元素分析、多相研究、化合物结构鉴定、富集法微量元素分析、元素价态鉴定。此外在对氧化、腐蚀、摩擦、润滑、燃烧、粘接、催化、包覆等微观机理研究；污染化学、尘埃粒子研究等的环保测定；分子生物化学以及三维剖析如界面及过渡层的研究等方面有所应用。AES的应用 AES最主要的应用是进行表面元素的定性分析。AES谱的范围可以收集到20-1700eV。因为俄歇电子强度很弱，用记录微分峰的办法可以从大的背景中分辨出俄歇电子峰，得到的微分峰十分明锐，很容易识别。图10.14是银原子的俄歇电子能谱，其中，曲线a为各种电子信息谱，b为曲线a放大10倍，c为微分电子谱，N(E)为能量为E的电子数，利用微分谱上负峰的位置可以进行元素定性分析。图10.15是金刚石表面Ti薄膜的AES谱，分析AES谱中知道，该薄膜表面含有C，Ti和O等元素。当然，在分析AES谱时，要考虑绝缘薄膜的荷电位移效应和相邻峰的干扰影响。与XPS相似，AES也能给出半定量的分析结果。这种半定量结果是深度为1-3nm表面的原子数百分比。 AES法也可以利用化学位移分析元素的价态。但是由于很难找到化学位移的标准数据，因此，谱图的解释比较困难。要判断价态,必须依靠自制的标样进行。 由于俄歇电子能谱仪的初级电子束直径很细，并且可以在样品上扫描。因此，它可以进行定点分析，线扫描，面扫描和深度分析。在进行定点分析时，电子束可以选定某分析点，或通过移动样品，使电子束对准分析点，可以分析该点的表面成份，化学价态和进行元素的深度分布。电子束也可以沿样品某一方向扫描，得到某一元素的线分布，并且可以在一个小面积内扫描得元素的面分布图。利用氩离子枪剥离表面，俄歇电子能谱仪同样可以进行深度分布。由于它的采样深度比XPS浅,因此，可以有比XPS更好的更深度分辨率。进行深