XPS原理及使用分析.ppt

X射线光电子能谱分析XPS XPS X raysPhotoelectronSpectroscopyESCA ElectronSpectroscopyforChemicalAnalysis 1 X射线光电子能谱仪发展历史爱因斯坦 光电效应50年代 K Siegbahn研制成功XPS谱仪60年代 发展成为商用仪器主要 PHI公司 VG公司 Karatos公司发展方向 单色化 小面积 成像XPS 一 概述 2 仪器功能与特点 1 定性分析 根据测得的光电子动能可以确定表面存在哪些元素 灵敏度约0 1at 2 定量分析 根据具有某种能量的光电子的强度可知某种元素在表面的含量 误差约20 3 根据某元素光电子动能的位移可了解该元素所处的化学状态 有很强的化学状态分析功能 4 由于只有距离表面几个纳米范围的光电子可逸出表面 因此信息反映材料表面几个纳米厚度层的状态 5 结合离子溅射可以进行深度分析 6 对材料无破坏性 7 由于X射线不易聚焦 照射面积大 不适于微区分析 一 概述 1 XPS的产生当单色的X射线照射样品 具有一定能量的入射光子同样品原子相互作用 1 光致电离产生光电子 2 电子从产生之处迁移到表面 3 电子克服逸出功而发射 用能量分析器分析光电子的动能 得到的就是X射线光电子能谱 二 XPS的测量原理 2 能量关系 能量关系 H Eb s Ek ErEb 电子结合能 以费米能级为零点 s 样品材料的功函数Ek 电子刚逸出表面时具有的动能Er 出射电子的反冲能由于样品与能谱仪接触 产生接触电势差 而在样品表面与能谱仪之间产生电场 使光电子射出后在此电场中加速或减速 动能发生改变 测量到的动能与原始能量不一致 平衡时 有关系Ek Ek sp s 因此可得 忽略反冲能 H Eb sp Ek或Ek h Eb sp 紫外光电子能谱分析UPS Ultra violetphotoelectronSpectroscopy XPS分析使用的光源阳极是Mg或Al 其能量分别是1487和1254eV UPS的光源为氦放电灯 能量为21 2或40 8eV 其能量只能够激发出价带电子 因此主要用于价带分析 3 深度剖面分析用离子束溅射剥蚀表面 用X射线光电子谱进行分析 两者交替进行 可以得到元素及其化学状态的深度分布 4 光电子能量损失机制光电子在射出表面的同时 可能激发固体中某些过程从而自身能量发生损失 1 声子激发或点阵振动能量为几十meV 只能在高分辨谱中观察到 2 等离子激发 3 各种单 双粒子激发 XPS能谱仪的构成主要 超高真空系统 X射线源 能量分析系统电子控制系统数据采集和处理系统 X射线光电子能谱仪结构框图 三 仪器结构 1 X射线源X射线的产生X射线源的结构X射线的单色化X射线的聚焦和扫描 Mg Al双阳极X射线源能量范围适中 Mg 1253 7 Al 1486 7eV X射线的能量范围窄 0 7和0 85eV 能激发几乎所有的元素产生光电子 靶材稳定 容易保存以及具有较高的寿命 X射线的产生 阴极发射电子 直流高压电场对电子加速 高速碰撞阳极 产生特征X射线 其中 Ex X射线半宽度 Ee 光电子自然能量分布 与样品材料有关 不确定关系 Es 固态宽化效应 激发光电子时产生晶格振动 即声子对谱的影响 Esp 谱仪的固有分辨率提高分辨率主要办法是减小X射线宽度 即提高单色性 要求X射线的自然线宽小 分辨率才高测得光电子能谱的半宽度为 2dsin n 2 电子能量分析器3 超高真空系统4 控制电路5 样品台 6 样品准备 样品尺寸不宜过大 一般应不大于10 x10 x1mm 样品表面应大体上平整 样品最好能够导电 表面应作脱脂处理 绝对避免用手触摸 原始表面应尽可能尽快测试 避免长时间在空气中存放 粉末样品可以压成块状 或撒布在胶带上 也可以将粉末溶解在适当溶剂中做成溶液 屠宰样品台上 再使溶剂挥发即成样品 气体 液体样品多用冷却法令其凝固 四 谱图分析 定性分析定量分析深度分析化学状态分析 1 XPS定性分析 是高纯Al基片上沉积的Ti CN x薄膜的XPS谱图 激发源为MgK 谱图解析标志介绍元素鉴别 消除电荷效应 光电子被激发出以后 非导电样品上会逐渐积累正电荷 导致测量的光电子动能减小 表观结合能正移 从而影响分析结果 办法 1 电子枪发射电子中和 2 样品表面镀金 厚度 1nm 3 在导电样品托上制备超薄样品 4 外标法 样品上C1s的结合能为284 8eV 能量定标 1 利用已知特征谱 C1s 284 3eV 2 利用两条谱线 如 Cu2p3 2 932 8eV Cu3s 122 9eVAu4f7 2 83 8eV Cu2p3 2 932 8eV 3 已知能量的两种光子激发同一样品的某一能级 则两次测量的能量差即为光子能量差 Mg与Al阳极的能量差是233 01eV 不同实验室测量的结合能值可能相差达1eV 2 定量分析 与俄歇电子能谱分析相同 使用相对灵敏度