表面分析技术

1、外表分析技术原理和仪器外表分析的特点 外表是固体的终端，外表向外一侧没有近邻原子，外表原子有部分化学键伸向空间，构成“悬空键。因此外表具有与体相不同的较活泼的化学性质。 外表指物体与真空或气体的界面。 外表分析通常研讨的是固体外表。外表有时指外表的单原子层，有时指上面的几个原子，有时指厚度达微米级的外表层。. 是用一个探束(光子或原子、电子、离子等)或探针(机械加电场)去探测样品外表并在两者相互作用时，从样品外表发射及散射电子、离子、中性粒子(原子或分子)与光子等，检测这些微粒(电子、离子、光子或中性粒子等)的能量、质荷比、束流强度等，就可以得到样品外表的形貌、原子构造(即陈列)、化学组成、价

2、态和电子态(即电子构造)等信息。外表分析技术的特点.外表“形貌分析指“宏观几何外形分析。主要运用电子、离子显微镜进展察看分析，当显微镜的分辨率到达原子级时，可察看到原子陈列，这时“形貌分析和构造分析之间就没有明确的分界。扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope，SEM离子诱导扫描电子显微镜(Ion Induced Scanning Eletron Microscope，IISEM.场离子显微镜(Field Ion Microscope，FIM扫描隧道显微镜(Scanning Tunnelling Microscope，STM)原子力显微镜(Atom Force

3、Microscope，AFM) .外表组分分析包括外表元素组成、化学态及其在表层的分布测定等。后者涉及元素在外表的横向和纵向(深度)分布。主要运用：X射线光电子能谱(Xray Photoelectron Spectroscopy，XPS或Electron Spectroscope for Chemical Analysis，ESCA俄歇电子能谱(Auger Electron Spectroscopy，AES).电子探针(Electron Micropobe，EMP)二次离子质谱(Second lon Mass Spectronmetry，SIMS)离子散射谱(Ion Scattering Sp

4、ectroscopy，ISS).外表构造分析研讨外表原子陈列。低能电子衍射(Low Energy Electron Diffration，LEED)光电子衍射(Xray Photoelectron Diffraction，XPD)外表扩展能量损失精细构造(Surface Extended Energy Loss Fine Structure，SEELFS).外表扩展X射线吸收精细构造(Surface Extended Xray Absorption Fine Structure，SEXAFS)扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope，STM)原子力显微镜(At

5、om Force Microscope，AFM).外表电子态分析包括外表能级性质、外表态密度分布、外表电荷分布及能量分布等。主要有: 紫外光电子谱(Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy，UPS电子能量损失谱(Electron Energy Loss Spectroscopy，EELS.角分解X射线光电子能谱(Angle-Re-solved X-ray Phtoelectron Spectroscopy，ARXPS扫描隧道显微镜(Scanning Tunnelling Microscope，STM)原子力显微镜(Atom Force Microscope，

6、AFM).外表分析技术和仪器简介 外表分析技术中涉及到微观粒子(电子、离子、光子、中性原子、分子等)的运动和检测。所以这类仪器必需具有高真空(l04 Pa)。 为了防止样品外表被周围气氛污染，有时还必需有超高真空(UHV，107 Pa)。由于外表分析中只涉及样品非常浅薄的表层，所检测的信号非常弱。 外表分析技术是经过微观粒子与资料外表的相互作用而获取信息的。因此涉及较深的物理知识(电离、散射等)。. 外表分析仪器是建立在超高真空、电子离子光学、微弱信号检测、精细机械加工以及电子计算机等技术根底上的，是综合性较强的仪器。 任何一种外表分折技术都有它的优点，也有它的短处。因此综合运用不同的分析技术

7、以得到相互补充、完善的分析结果常被采用。 因此出现了多功能外表分析仪器 (如XPS-AES-UPS；AES-SIMS； XPS-AES-ISS-SIMS等)。.根本上性能完善的外表分析仪器至少由6部分构成：激发源(产生光子、电子、离子或针尖与电场)；样品架与分析室(对样品进展各种预处置，如加热、制冷、蒸镀、吸附以及与激发源发生相互作用)；分析器(各种能量、质量或电场分析器)检测器(电子、离子计数或电流强度等检测)计算机控制系统处在超高真空系统中数据处置系统.X射线光电子谱(XPS)仪器构造 XPS需求用软X射线辐照样品，并对样品外表所产生的光电子的能量进展分析。因此一台X射线光电子谱仪(简称X

8、PS谱仪)由以下几部分组成：真空室及与其相应的抽气系统；样品引进和支配系统；X射线源；电子能量分析器及与其相联的输入(或传输)电子光学透镜系统；电子检测系统及基于PC机或任务站的效力性数据处置系统，两者同时控制谱仪操作并提供处置数据的手段。.外表分析-电子能谱仪(AUGER/XPS) Auger/X-ray induced Photoelectron Spectroscopy Auger外表成份分析 XPS (ESCA) 外表元素分析 (electron spectroscopy for chemical analysis) XPS 化学位移(Chemical Shift) .样品处置将样品在

9、大气压强下插入自锁安装的轨道传送器件上，抽到基压只需几分钟，然后翻开气锁室与第二制备室之间闸阀，运用一个旋转驱动安装将样品移向制备室。第二制备室延续抽气到达超高真空基压然后经过另一闸阀，用一个可摆动的叉子将样品送到与分析系统相联接的第二个轨道上。同样道理，第二真空室被用来作样品制备和处置，如加热，用离子轰击或机械刮擦以清洁样品外表，作原位断裂或剥离以进展界面研讨，作等离子体处置等。.一旦进入分析室，样品就被稳稳地传送到准确操作台上。这种操作台至少具有X、Y、Z和倾斜几个自在度。 对聚合物研讨特别有用的一个安装是分析时的样品冷却。除非在仪器的原始设计目的内包括这一要求，否那么这经常是很难到达的。

10、.XPS谱图方式 XPS中采用的软X射线能穿透数微米资料。固体中的原子吸收X射线后导致其中的电子出射，这个景象又称之为光电离。 出射的电子能够来自紧束缚的内能级，也能够来自弱成控价能级或分子轨道。只需部分光电离的电子能从外表逃逸后进入真空。 总的来讲，这就称之为光电效应。对光电子发射作如上所述的能量分析，就可以产生以电子强度作为能量函数的谱。.外表原子组成的定量分析.对于聚合物外表分析，最方便的是用C ls1(而不是F ls1)以建立内部相对灵敏度因子。.有了这些相对灵敏度因子(Sn)，任一所选元素A的相对原子浓度可从下式简单地获得：.聚合物的XPS信息在讨论聚合物谱的阐释之前，首先需求思索的

11、是能够引起问题的两个要素，即样品荷电、及与之相关的结合能坐标基准，以及样品的辐照损伤。样品荷电 X射线辐照期间从绝缘体外表发射电子，不可防止地将导致构成正的外表电位，由于来自样品体相或者样品托的电子不能补偿这种电子损失。这种正的荷电作用要降低光电子的出射动能(即表观结合能添加)，这就是XPS分析绝缘样品时的荷电效应。.结合能坐标基准 对于导电样品，因其可与谱仪有很好的电接触，这样很容易确定零结合能位置为Fermi能级EF。同时还指出普通对绝缘体试样就没有这样可度量的谱特征，由于EF很难定义在测得的价带边之上某个位置，因此，对于聚合物就需求建立结合能参照基准。.聚氯乙稀的 CLs 谱.辐照损伤

12、就激发源诱导样品降解而言，虽然XPS是一种比较缓和的技术，但在收谱期间聚合物不可防止地要遭到辐照损伤。 .内能级.外表分析仪器 .半导体、生物资料、汽车制造、化学工业、计算机及其外设等领域的各种固体外表的元素成分、化学价态、分子构造的微观分析和深度分析，以及质量控制、玷污和失效机理分析等 X光电子能谱仪扫描俄歇电子谱仪 .X射线光电子能谱仪AMICUS 灵敏度/分辨率 700kcps(Ag3d5/2、1.15ev) X射线源 Mgka 12kv、30mA 到达真空度 510-7Pa以下 .X射线光电子能谱AXIS-165型对于半导体、金属、高分子资料等广泛的样品，从宏观分析、微观分析、深度分析

13、，或从元素分析到形状分析，都可做多方面评价的ESCA/Auger的复合外表分析安装。 XPS灵敏度 11800Kcps1.30ev，MgKa400Kcps0.55ev，单色器 AES灵敏度 500Kcps， S/N5001 .X射线荧光分析显微镜 .1.X光微细光束发生器X光束开关机构：10m或100mXGTX发生器：X光管靶材：Rh管电压：15、30、50KV可选管电流：0.1、1.0 MA2.X光探头 硅探头：高纯硅X光探头Xerophy 可检元素11Na-92U3.同时可测图象数：一个透射X光映象31个X荧光映象256256像素或15个X荧光映象512512像素4.定量分析FPM和丈量线

14、定量5.光学显微镜：放大倍数10技术参数.红外碳硫分析仪 1.量程： C：06 S：012.检测器： 4个 CO (1个)/ CO2高 低2个SO2 3.灵敏度 0.01ppm4.固体标样精度： C：0.3ppm S：0.3ppm.氧氮分析仪 1.测定元素 : 氧氮联测2.分析范围:O: 0-0.1wt%/0-1000wtppm；N:0-0.5wt%/0-5000wtppm减少称样量可达100wt%3.规范样品分量 : 规范1.0g4.灵敏度(最小读数): O/N: 0.001wtppm5.分析时间 : 约40秒 炉子输出功率 : 最大8000W.外表分析运用实例 .Change of N 1s peak of NC C CA during x-ray exposure. For convenience, the spectra are shifted.SURFACE AND INTERFACE ANALYSIS2002; 33: 252258.颗粒外表的H 射线光电子能谱化学学报2004年第62卷 第6期.C1s spectra of PHB-g-MA, CS, and PHB-g-MA/CS