1、第四章 光电子能谱第一节 方法原理一、信息的产生机理及其特点 二、定量分析 三、定量分析 四、 XPS的角分辨方法 第二节 仪器描述 一、仪器构成 二、探束激发源 三、半球型能量分析器 第三节 应用示例一、成分研究 二、同质异构体研究鉴定 三、研究结构中原子格位结构 1表面分析的主要内容有 表面化学组成：表面元素组成，表面元素的分布，表面元素的化学态，表面化学键，化学反应等 表面结构：表面原子排列，表面弛豫，表面再构，表面缺陷，表面形貌 表面原子态：表面原子振动状态，表面吸附 (吸附能、吸附位 )，表面扩散，分凝等 表面电子态：表面电荷密度分布及能量分布 (DOS)，表面能级性质，表面态密度分
2、布，价带结构，功函数 表面科学研究表面和表面有关的宏观和微观过程，从原子水平来认识和说明表面原子的化学、几何排列、运动状态、电子态等性质及其与表面宏观性质的联系表面： 固体与其它相的直接界面，通常表面被认为是固体顶上的 210个原子单层 (0.53nm)的范围。若考虑表面膜，则表面的范围可扩展到 100nm2在所有现代表面分析技术中，使用最早、最广泛、也是最成熟的当推 电子能谱电子能谱 ： 俄歇电子能谱 、 光电子能谱 、 电子能量损失谱 等电子能谱技术中，发展最快，具有较高实用价值的是 俄歇电子能谱 (AES)和 光电子能谱 （ Photoelectron Spectroscopy）光电子能
3、谱 是以光子束为探束来对原子不同层次电子进行非弹性散射，分析弛豫产生多种二次电子信息的方法3电子能谱探测的对象从固体表面层射出的携带着表面层中大量信息的电子，可直接研究表面及体相的元素组成、电子组态和分子结构电子能谱的独特优点 电子的非弹性散射平均自由程很小，一般只有 1nm左右，因此具有较高的表面灵敏度 电子易聚焦，特别是应用静电场作为聚焦和分析系统可精确地得到角分布和能量分布 电子对真空室的真空无影响 电子可有效地探测和计数4电子能谱可广泛用于科学研究和工程技术的诸多领域 物理学 ：键结构、表面电子态、固体的能带结构、合金的构成与分凝、粘附、迁移与扩散 化学： 元素和分子分析、化学键、分子
4、结构分析、氧化还原、光化学 催化科学： 元素组成、活性、表面反应、催化剂中毒 腐蚀科学： 吸附、分凝、表面氧化与钝化 材料科学： 电子能谱是研究各种镀层、涂层和表面处理层 (钝化层保护层等 )的最有效手段，广泛应用于金属、高分子等材料的表面处理、金属或聚合物的淀积、防腐蚀、抗磨、断裂等方面的分析 微电子技术： 电子能谱可对材料和工艺过程进行有效的质量控制和分析，注入和扩散分析 薄膜研究： 光学膜、磁性膜、超导膜、钝化膜、太阳能电池薄膜等，层间扩散，离子注入 5光电子能谱 也称 化学分析电子光谱学 （ Electron Spectroscopy for Chemical Analysis， ES
5、CA）依据探束不同有两种常用方法 ：X光电子谱 （ X-ray Photoelectron Spectroscopy， XPS）：用软 X-ray（200 2000eV）作为探束紫外光电子谱 （ Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy， UPS）：用真空 UV（ 10 45eV）作为探束因 (h)X-ray(h)UV， XPS对金属、无机、化合物等键强较大的物质适用； UPS对分子键、氢键等较弱键为主的有机化合物更合适。 XPS和 UPS是当今化工、材料、化学、物理、冶金、信息等领域的重要研究实验手段 两种方法原理相同，本章主要针对 XPS进行讨论 6光电
6、子谱是由瑞典 Uppsala University物理学家 Kai M. Siegbahn与其同事于 1962年发现，并历经 20年时间研究建立的 Karl Manne Georg Siegbahn（ 18861978）The Nobel Prize in Physics 1924“for his discoveries and research in the field of X-ray spectroscopy“ Karl Siegbahns son： Kai M. Siegbahn（ 1918）The Nobel Prize in Physics 1981“for his contrib
7、ution to the development of high-resolution electron spectroscopy“ 7Heinrich Rudolf Hertz（ 1857-1894） 第一节 方法原理一、信息产生机理及其特点 Hertz于 1887年发现光电效应 Albert Einstein （ 1879-1955） Einstein于 1905年应用普朗克的能量量子化概念正确解释了此一现象 ，给出了这一过程的能量关系方程描述。据此贡献爱因斯 坦获 1921年诺贝尔物理奖8 信息产生机理 信息的产生是基于能量为 h的光子与物质原子中的电子产生非弹性散射过程。当一个 h光子把其能量传递给原子中某一壳层上受束缚电子，且当 h大于克服该电子结合能 Eb(binding energy, BE )，则可将其激发电离为二次电子，并以一定动能EK(kinetic energy, KE)逸出，可见信息产生是基于 爱因斯坦光电效应9光电发射可归纳为以下三个过程 ：某一壳层电子因光吸收而激发成自由电子（二次电子） 释放出电子向固体表面移动（与电子能量及逸出深度有关）和在移动过程中的吸收衰减 克服表面势场而出射，脱离固体 光电作用过程弛豫过程激发过程X-ray X-raye- e-10
