X射线光电子能谱XPS的基本原理及应用PPT课件

1、主要内容一. 引言二. XPS的基本原理三. XPS的应用第1页/共31页一、引言hX射线光电子能谱（XPS)e-Auger电子能谱(AES)h紫外光电子能谱(UPS)电子能谱：是最常用的一种表面分析技术，多种表面分析技术集合的总称，测量样品中发射电子的动能，分析电子结合能，主要包括XPS,AES和UPS。电子能谱第2页/共31页公司：Thermo Fisher 型号：ESCALAB 250XiXPS-AES联用仪第3页/共31页历史上与XPS相关的几件大事X射线是由德国物理学家伦琴（Wilhelm Conrad Rntgen，l845-1923）于1895年发现的，他由此获得了1901年首届

2、诺贝尔物理学奖。赫兹于1887年发现了光电效应，爱因斯坦于1905年用光量子理论解释了光电效应，爱因斯坦由于这方面的工作被授予1921年诺贝尔物理学奖；XPS是由瑞典Uppsala大学的K. Siegbahn及其同事于60年代中期研制开发出的一种新型表面分析仪器和方法。鉴于K. Siegbahn教授对发展XPS领域做出的重大贡献，他被授予1981年诺贝尔物理学奖。 第4页/共31页The Nobel Prize in Physics 1981: K M Siegbahn-for his contribution to the development of HR electron spectro

3、scopy; N Bloembergen and A L Schawlow-for their contribution to the development of laser spectroscopy.第5页/共31页二、XPS基本原理EbErEk内电子层价带费米能级真空能级EvacEFs内层电子吸收光子，逃逸出样品表面，成为光电子，根据能量守恒：hv=Eb+s+Ek+Er其中hv为X射线能量Eb为电子结合能s为样品功函数Ek为光电子动能Er为反冲能（很小，可以忽略）第6页/共31页一个重要概念：费米能级f(E)EEF表示费米能级，f(E)表示能级E上电子的占据几率。绝对零度下，电子占据的最

4、高能级就是费米能级。费米能级的物理意义是，该能级上的一个状态被电子占据的几率是1/2。第7页/共31页真空能级真空能级样品hv内层电子EFEFEb仪器样仪EkEk样品与仪器良好电接触，费米面拉平样+Ek=仪+Ek”hv是X射线能量，仪是仪器功函数，Ek”是光电子动能。结合能Eb的测量第8页/共31页XPS表示方法0.00E+001.00E+042.00E+043.00E+044.00E+04526528530532534536538540542544Counts / sBinding Energy (eV)O1s ScanO1s1.00E+042.00E+043.00E+044.00E+045

5、.00E+046.00E+047.00E+04450455460465470475Counts / sBinding Energy (eV)Ti2p Scan2p3/22p1/20.00E+001.00E+052.00E+053.00E+054.00E+055.00E+056.00E+057.00E+058.00E+0580828486889092949698Counts / sBinding Energy (eV)Au4f ScanEtch Time = 0 s, Etch Level = 04f5/24f7/20.00E+002.00E+044.00E+046.00E+048.00E+04

6、1.00E+051.20E+051.40E+051.60E+05362364366368370372374376378380Counts / sBinding Energy (eV)Ag3d ScanAg3d3d5/23d3/2第9页/共31页元素鉴别 XPS测量的是元素内层电子的结合能Eb，Eb在一个比较窄的范围内基本上是一个常数，每种元素都有自己一套特征的结合能，可以鉴别元素（除H和He外）。0.00E+001.00E+052.00E+053.00E+054.00E+055.00E+056.00E+0501002003004005006007008009001000110012001300

7、Counts / sBinding Energy (eV)SurveyO1sC1sN1sK2pP2pNa1sS2p第10页/共31页化学价（化学态）判断 原子因所处化学环境不同而引起内壳层电子结合能发生变化，即化学位移，根据化学位移可以判定元素的化学价或化学态。三氟醋酸乙酯中C1s轨道电子结合能位移.第11页/共31页定量分析 定量分析：灵敏度因子法，iiixxixxSISIC/第12页/共31页XPS的分析深度 XPS是一种表面分析技术，分析深度约为几个纳米，约10个原子层的厚度。实际上X射线的穿透深度约为1um，但只有无能量损失逃逸出样品的光电子才是有用信号。 金属0.52nm 氧化物24

8、nm 有机物和聚合物410nm第13页/共31页为光电子非弹性碰撞自由程d为光电子产生的深度95%的信号来自于3之内，3信息深度。第14页/共31页另一个经验公式：第15页/共31页三、XPS应用 XPS XPS可以告诉我们可以告诉我们: : 材料中有什么元素（研究未知材料）材料中有什么元素（研究未知材料） 这些元素处于什么化学态这些元素处于什么化学态 每种元素含量是多少每种元素含量是多少 在二维面内这些元素的分布或者价态分布如何，是在二维面内这些元素的分布或者价态分布如何，是否均匀（缺陷分析，表面处理技术）否均匀（缺陷分析，表面处理技术） 这些元素的分布随着三维的深度方向是怎么分布的这些元素

9、的分布随着三维的深度方向是怎么分布的（研究界面材料）（研究界面材料）第16页/共31页Name Peak BEHeight CPSFWHM eVArea (P) CPS.eV At. % Ni2p852.46722512552.261754775085.1W4f32.444112808.34.62593473.24.68O1s530.40382960.743.68330992.210.22NiW合金1.样品表面的元素组成第17页/共31页0.00E+001.00E+052.00E+053.00E+054.00E+055.00E+056.00E+057.00E+05010020030040050

10、06007008009001000110012001300Counts / sBinding Energy (eV)SurveyBi4fO1sCu2p3C1sSr3dCa2pBSCCO膜（超导材料）第18页/共31页2.元素化合价及化学态的确定第19页/共31页第20页/共31页0.00E+002.00E+054.00E+056.00E+058.00E+051.00E+061.20E+061.40E+06930940950960Counts / sBinding Energy (eV)Cu2p ScanCu2p36.00E+047.00E+048.00E+049.00E+041.00E+051

11、.10E+05930940950960Counts / sBinding Energy (eV)Cu2p Scan俄歇参数：俄歇电子动能与光电子动能差（加X射线能量）。第21页/共31页有机物分子第22页/共31页XPS可对元素及其化学态进行成像，绘出不同化学态的不同元素在表面的分布图像。3.成像XPS（XPS image)第23页/共31页4.深度剖析（depth profile)Ar离子剥离深度分析方法是一种使用最广泛的深度剖析的方法，其分析原理是先Ar离子把表面一定厚度的元素溅射掉，然后再用XPS分析剥离后的表面元素含量，这样就可以获得元素沿样品深度方向的分布。优点:可以分析表面层较厚的

12、体系，深度分析的速度较快。缺点：一种破坏性分析方法，会引起样品表面晶格的损伤，择优溅射和表面原子混合等现象。第24页/共31页01020304050570580590600Binding Energy (eV)Scan 580eVCr/Te界面处元素的互扩散情况。突变界面，扩散很少。TeTe3d5/2CrCr2p3/2刻蚀5s/层界面间物质的互扩散第25页/共31页Au/Cr界面处元素的互扩散情况。互扩散很严重，渐变界面，界面层很厚。010020030040050060070080002000000400000060000008000000IntensityBinding Energy(eV)Au4fCr2pAu4dAu4p3/2第26页/共31页Au/Cr界面处元素的互扩散情况。互扩散很严重，渐变界面，界面层很厚。300350400450500550600650700750010000002000000300000040000005000000600000070000008000000Cr2pAu4p3/