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[转帖]X光电子能谱分析的基本原理及应用

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郭冬梅 发表于 2008-6-29 11:08 | 显示全部楼层 |阅读模式

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X光对我们来说哦并不陌生,但是要真正掌握它的原理并不简单,那需要长时间的摸索和总结。这样才能更好的方便无我们在以后对器械的维护和保养,下面就是我这些年来对X光原理的一些观点和认识,现告诉大家,仅供参考。

  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 (10.3)

  式中: 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。

  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Φ,剩余的能量成为自由电子的动能Ek,式(103)又可表示为:

  hn=Ek+Eb+Φ (10.4)

  Eb= hn- Ek-Φ (10.5)

  仪器材料的功函数Φ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。例如某元素失去电子成为离子后,其结合能会增加,如果得到电子成为负离子,则结合能会降低。因此,利用化学位移值可以分析元素的化合价和存在形式。

  X光电子能谱法是一种表面分析方法,提供的是样品表面的元素含量与形态,而不是样品整体的成分。其信息深度约为3-5nm。如果利用离子作为剥离手段,利用XPS作为分析方法,则可以实现对样品的深度分析。固体样品中除氢、氦之外的所有元素都可以进行XPS分析。

  XPS的应用

  XPS主要应用是测定电子的结合能来实现对表面元素的定性分析。图10.12是高纯铝基片上沉积Ti(CN)x薄膜的XPS谱图。所用X射线源为MgKα,谱图中的每个峰表示被

  X射线激发出来的光电子,根据光电子能量。可以标识出是从哪个元素的哪个轨道激发出来的电子,如Al的2s、2p等。由谱图可知,该薄膜表面主要有Ti, N, C, O和Al元素存在。这样就可以实现对表面元素的定性分析。定性的标记工作可以由计算机来进行。但由于各种各样的干扰因素的存在,如荷电效应导致的结合能偏移,X射线激发的俄歇电子峰等,因此,分析结果时需要注意。

  XPS谱图中峰的高低表示这种能量的电子数目的多少,也即相应元素含量的多少。由此,可以进行元素的半定量分析。由于各元素的光电子激发效率差别很大,因此,这种定量结果会有很大误差。同时特别强调的是,XPS提供的半定量结果是表面3-5nm的成份,而不是样品整体的成份。在进行表面分析的同时,如果配合Ar离子枪的剥离,XPS谱仪还可以进行深度分析。依靠离子束剥离进行深度分析,X射线的束斑面积要小于离子束的束斑面积。此时最好使用小束斑X光源。

  元素所处化学环境不同,其结合能也会存在微小差别,依靠这种微小差别(化学位移),可以确定元素所处的状态。由于化学位移值很小,而且标准数据较少,给化学形态的分析带来很大困难。此时需要用标准样品进行对比测试。图10.13是压电陶瓷PZT薄膜中碳的化学形态谱。

  图中结合能为285.0ev和281.5eV两个峰分别是有机碳和金属碳化物的Cls峰。由图可以看出,薄膜表面有机碳信号很强,随着离子溅射时间的增加,有机碳逐渐减少,金属碳化物逐渐增加。这说明在PZT薄膜中的碳是以金属碳化物的形态存在的。薄膜表面的有机碳是由于表面污染所致。

 

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