XPS原理XPS基本原理

1、X射线光电子能谱分析的基本原理,电子能谱分析是一种研究物质表层元素组成与离子状态的表面分析技术，其基本原理是用单色射线照射样品，使样品中原子或分子的电子受激发射，然后测量这些电子的能量分布。通过与已知元素的原子或离子的不同壳层的电子的能量相比较，就可确定未知样品表层中原子或离子的组成和状态。,X 光电子能谱分析的基本原理 X 光电子能谱分析的基本原理：一定能量的 X 光照射到样品表面，和待测物质发生作用，可以使待测物质原子中的电子脱离原子成为自由电子。 该过程可用下式表示: hn=Ek+Eb+Er （1） 其中:hn：X 光子的能量；Ek：光电子的能量；Eb：电子的结合能；Er：原子的反冲能量

2、。 其中 Er 很小，可以忽略。,对于固体样品，计算结合能的参考点不是选真空中的静止电子，而是选用费米能级，由内 层电子跃迁到费米能级消耗的能量为结合能 Eb，由费米能级进入真空成为自由电子所需的能 量为功函数 ，剩余的能量成为自由电子的动能 Ek，式（1）又可表示为： hn=Ek+Eb+ （2） Eb=hn-Ek- （3） 仪器材料的功函数 是一个定值，约为 4eV，入射 X 光子能量已知，这样，如果测出电 子的动能 Ek，便可得到固体样品电子的结合能。 各种原子，分子的轨道电子结合能是一定的。因此，通过对样品产生的光子能量的测定，就可以了解样品中元素的组成。元素所处的化学环境不同，其结合能

3、会有微小的差别，这种由化学环境不同引起的结合能的微小差别叫化学位移，由化学位移的大小可以确定元素所处的状 态。,1、光电效应 当一束能量为h的单色光与原子发生相互作用，而入射光量子的能量大于原子某一能级电子的结合能时，发生电离： M + h= M*+ + e- 光电效应过程同时满足能量守恒和动量守恒，入射光子和光电子的动量之间的差额是由原子的反冲来补偿的。 光电效应的几率随着电子同原子核结合的加紧而很快的增加，所以只要光子的能量足够大，被激发的总是内层电子。外层电子的光电效应几率就会很小，特别是价带，对于入射光来说几乎是“透明”的。,光电子发射示意图,光电子动能: Ek= h- Eb-sp （

4、 sp是功函数）,光电效应截面s衡量原子中各能级发射光电子的几率 s为某能级的电子对入射光子有效能量转换面积，也可表示为一定能量的光子与原子作用时从某个能级激发出一个电子的几率。 s与电子所在壳层的平均半径r、入射光子频率n和原子序数Z等因素有关。在入射光子能量一定的条件下，同一原子中半径越小的壳层s越大；电子结合能与入射光子能量越接近s越大。对不同原子同一壳层的电子，原子序数越大，光电效应截面s越大。,量子数表示电子运动状态 主量子数n : 电子能量主要（并非完全）取决于n; n电子能量 n 1, 2, 3, ；通常以K(n=1), L(n=2),M(n=3)表示 相同的n表示相同的电子壳层

5、 角量子数l :决定电子云的几何形状；不同的l将电子壳层分成几个亚层，即能级。 L与n有关，给定n后， l0, 1, 2，( n 1);通常以s(l=0), p(l=1), d(l=2), f(l=3), 表示 在给定壳层的能级上， l 电子能量略,2、原子能级的划分,磁量子数ml :决定电子云在空间的伸展方向(取向)； 给定l 后， ml 取+l 和-l 之间的任何整数， ml l, l-1, , 0, -1, , - l ； 若l =0，则ml =0；若l =1，则ml =1,0,-1。 自旋量子数ms :表示电子绕其自身轴的旋转取向；与上述3个量子数无关。,电子的轨道运动和自旋运动间存在电磁相互作用，即：自旋轨道耦合作用的结果使其能级发生分裂，对l 0的内壳层来说，这种分裂可用内量子数j表示(j l ms l 1/2 ) 若l 0，则j 1/2 ； 若l 1，则j l 1/2 3/2或1/2 ; 除s亚壳层不发生自旋分裂外，凡l 0的各亚壳层都将分裂成两个能级XPS出现双