XPS仪器及基础分析讲义.ppt

X射线光电子能谱法 X-ray Photoelectron Spectrum (XPS)
X射线光电子能谱法(X-ray Photoelectron Spectrum,简称XPS)是利用波长在X射线范围的高能光子照射被测样品,测量由此引起的光电子能量分布的一种谱学方法。
样品在X射线作用下,各种轨道电子都有可能从原子中激发成为光电子,由于各种原子、分子的轨道电子的结合能是一定的,因此可用来测定固体表面的电子结构和表面组分的化学成分。在后一种用途时,一般又称为“化学分析光电子能谱”(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis,简称ESCA)。
XPS在实验时样品表面受辐射损伤小,能检测周期表中除H和He以外所有的元素,并具有很高的绝对灵敏度。因此, XPS是目前表面分析中使用最广的谱仪之一。
XPS在表面分析领域中是一种崭新的方法。虽然用X射线照射固体材料并测量由此引起的电子动能的分布早在本世纪初就有报道,但当时可达到的分辨率还不足以观测到光电子能谱上的实际光峰。
直到1958年,以Siegbahn为首的一个瑞典研究小组首次观测到光峰现象,并发现此方法可以用来研究元素的种类及其化学状态,故而取名“化学分析光电子能谱(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis-ESCA)。目前XPS和ESCA已公认为是同义词而不再加以区别。
XPS的主要特点是它能在不太高的真空度下进行表面分析研究,这是其它方法都做不到的。当用电子束激发时,如用AES法,必须使用超高真空,以防止样品上形成碳的沉积物而掩盖被测表面。X射线比较柔和的特性使我们有可能在中等真空程度下对表面观察若干小时而不会影响测试结果。
此外,化学位移效应也是XPS法不同于其它方法的另一特点,即采用直观的化学认识即可解释XPS中的化学位移,相比之下,在AES中解释起来就困难的多。
用X射线照射固体时,由于光电效应,原子的某一能级的电子被击出物体之外,此电子称为光电子。
如果X射线光子的能量为hν,电子在该能级上的结合能为Eb,射出固体后的动能为Ec,则它们之间的关系为:
hν=Eb+Ec+Ws
式中Ws为功函数,它表示固体中的束缚电子除克服个别原子核对它的吸引外,还必须克服整个晶体对它的吸引才能逸出样品表面,即电子逸出表面所做的功。上式可另表示为:
Eb=hν-Ec-Ws
可见,当入射X射线能量一定后,若测出功函数和电子的动能,即可求出电子的结合能。由于只有表面处的光电子才能从固体中逸出,因而测得的电子结合能必然反应了表面化学成份的情况。这正是光电子能谱仪的基本测试原理。
仪器组成
一台X射线光电子能谱仪(简称XPS能谱仪)由下列几部分组成:真空室及与其相联的抽气系统;样品引进和操作系统;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机或工作站的服务性数据处理系统。
电子检测系统及基于PC机或工作站的服务性数据处理系统,两者同时控制谱仪操作并提供处理数据的手段。
XPS与其他方法相比较的优点
为了了解化学分析光电子能谱在哪些方面比其它表面分析方法更为适用,要考虑到下面:
(1)非破坏性;
(2)研究塑料和有机物表面的能力;
(3)控制探测深度的因素;
(4)进行应用研究和基础研究的真空条件;
(5)化学位移效应。
现就这些问题讨论如下,重点是比较化学分析光电子能谱法同其它方法的相同点和不同点。
可以认为化学分析光电子能谱法是一种非破坏性的方法,因为用来激发光电子能谱的X射线束对多数材料没有什么损坏,特别是同那些靠离子或电子轰击表面的分析方法相比更是如此。
因此对大多数样品来说,可以先在光电子能谱仪中观测,然后存放起来或用来进行其它分析检验。虽然右些系统台产生一定的光分佩但这种现象是相当罕见的,而且不会妨碍取得有用的数据。