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第八章
电子能谱
根据激发源的不同，电子能谱又分为:
X射线光电子能谱(简称 XPS)
(X-Ray Photoelectron Spectrometer)
紫外光电子能谱(简称 UPS)
(Ultraviolet Photoelectron Spectrometer)
俄歇电子能谱(简称 AES)
(Auger Electron Spectrometer)
2016/8/6
谱学导论
1
§8.1 电子能谱的基本原理
§8.1
电子能谱的基本原理
基本原理就是光电效应。
能量关系可表示：
hv  Eb  Ek  Er
电子结合能
电子动能
原子的反冲能量
Er 
1
 M  ma* 2
2
忽略 Er (<0.1eV）得
hv  Ek  Eb
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谱学导论
2
§8.1 电子能谱的基本原理
对孤立原子或分子， Eb 就是把电子从所在轨道
移到真空需的能量，是以真空能级为能量零点的。
对固体样品，必须
考虑晶体势场和表
面势场对光电子的
束缚作用，通常选
取费米(Fermi)能级
为 E
的参考点。
b
hv  Ek  Eb  
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0k时固体能带中充
满电子的最高能级
功函数
谱学导论
3
§8.1 电子能谱的基本原理
为防止样品上正电荷积累，固体样品必须保持
和谱仪的良好电接触，两者费米能级一致。
实际测到的电子动能为：
Ek'  Ek  ( sp   s )
 hv  Eb   sp
Eb  hv  E  sp
'
k
仪器功函数
hv  Ek  Eb  
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功函数
谱学导论
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§8.1 电子能谱的基本原理
特征：
XPS采用能量为1000 ~ 1500eV 的射线源，能激发内层
电子。各种元素内层电子的结合能是有特征性的，因
此可以用来鉴别化学元素。
UPS采用 He I(21.2eV) 或 He II(40.8eV)
作激发源。 与X
射线相比能量较低，只能使原子的价电子电离，用于
研究价电子和能带结构的特征。
AES大都用电子作激发源，因为电子激发得到的俄歇电
子谱强度较大。
光电子或俄歇电子，在逸出的路径上自由程很短，实
际能探测的信息深度只有表面几个至十几个原子层，
光电子能谱通常用来作为表面分析的方法。
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谱学导论
5
§8.2 紫外光电子能谱(UPS)
§8.2
紫外光电子能谱(UPS)
紫外光电子谱是利用能量在 16 ~ 41eV 的真空紫外光
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。忽略分子、离子的平动与转动能，紫
外光激发的光电子能量满足如下公式：
Ek  hv  Eb  E振
由于光源能量较低，线宽较窄（约为0.01eV),只能使原
子的外层价电子、价带电子电离，并可分辨出分子的振动
能级,因此被广泛地用来研究气体样品的价电子和精细结
构以及固体样品表面的原子、电子结构。
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§8.2 紫外光电子能谱(UPS)
8.2.1 谱图特征
紫外光电子谱图的形状取
决于电离后离子的状态。
化学吸附后，带发生了位移
凝聚分子的谱带明显增
宽，并失去精细结构
气体分子有明显
的振动精细结构
横坐标为分子的电离能In 或
光电子动能
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En  hv  I n
苯在Ni(111)上的UPS谱
谱学导论
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§8.2 紫外光电子能谱(UPS)
8.2.2 振动精细结构
对于同一电子能级，分子还可能有许多不同的
振动能级，因此实际测得的紫外光电子能谱图既
有结合能峰，又有振动精细结构。
Ek  hv  I
光
电
子
动
能
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入
射
光
子
能
量
(a)
n
绝
热
电
离
能
 [ E (v )  E (0)]
'
v
振
动
激
发
态
'
'
v
振
动
基
态
离子的振动态能量
谱学导论
8
§8.2 紫外光电子能谱(UPS)
CO的光电子能谱及其相关能级图
CO+第二激发态(
CO+第一激发态(
1

2
~
B)
~
A)

成键电子跃迁
~
CO+的基态( X )
1


2


非键电子跃迁
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谱学导论
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§8.2 紫外光电子能谱(UPS)
O2和O2＋的分子轨道示意图
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§8.2 紫外光电子能谱(UPS)
8.2.3 自旋－轨道耦合
自旋－轨道耦合的结
果导致其能级发生分
裂，形成两个具有不
同能量的态，例如轨
道量子数为
l ，即得，
j1  l  1 2 , j2  l  1 2
它们的能量差值:
E j  E j1  E j2
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§8.2 紫外光电子能谱(UPS)
8.2.4 自旋－自旋耦合
对开壳层分子，当其它成对电子中一个被激发发射
出来后，留下一个未配对电子。与原来未配对电子
的自旋相互作用可出现平行和反平行二种情况，从
而有二种不同能量状态，并使光电子能量也不同，
引起谱线的分裂。例如O2分子
UPS 的谱带结构和特征直接与分子轨道
能级次序、成键性质有关。因此对分析分
子的电子结构是非常有用的一种技术。
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谱学导论
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§8.3 X射线光电子能谱（XPS）
§8.3
X射线光电子能谱（XPS）
由于各种原子轨道中电子的结合能是一定的，因此
XPS 可用来测定固体表面的化学成分,一般又称为化
学分析光电子能谱法（ Electron Spectroscopy
for Chemical Analysis，简称 ESCA）。
与紫外光源相比，射线的线宽在0.7eV以上，因此
不能分辨出分子、离子的振动能级。
在实验时样品表面受辐照损伤小，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。因此是目前表面分析中使用最广的谱仪之一。
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§8.3 X射线光电子能谱（XPS）
8.3.1 谱图特征
O的KLL俄歇谱线
O 和 C 两条谱线的存在
表明金属铝的表面已被部
分氧化并受有机物的污染
是宽能量范围扫描的全谱
低结合能端的放大谱
右图是表面被氧化且
有部分碳污染的金属
铝的典型的图谱
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谱学导论
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§8.3 X射线光电子能谱（XPS）
金属铝低结合能端
的放大谱(精细结构)
相邻的肩峰则分
别对应于Al2O3中
铝的2s和2p轨道
的电子
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谱学导论
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§8.3 X射线光电子能谱（XPS）
8.3.2 化学位移
由于化合物结构的变化和元素氧化状态的
变化引起谱峰有规律的位移称为化学位移
化合物聚对苯二
甲酸乙二酯中三
种完全不同的碳
原子和两种不同
氧原子1s谱峰的
化学位移
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§8.3 X射线光电子能谱（XPS）
化学位移现象起因及规律
内层电子一方面受到原子核强烈的库仑作用
而具有一定的结合能，另一方面又受到外层
电子的屏蔽作用。当外层电子密度减少时，
屏蔽作用将减弱，内层电子的结合能增加；
反之则结合能将减少。因此当被测原子的氧
化价态增加，或与电负性大的原子结合时，
都导致其XPS峰将向结合能的增加方向位移。
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谱学导论
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§8.4 俄歇电子能谱(AES)
§8.4
俄歇电子能谱(AES)
•1925年法国的物理学家俄歇（P.Auger）在用X射线研究光
电效应时就已发现俄歇电子，并对现象给予了正确的解释。
•1968年L.A.Harris采用微分电子线路，使俄歇电子能谱开始
进入实用阶段。
•1969年，Palmberg、Bohn和Tracey引进了筒镜能量分析器，
提高了灵敏度和分析速度，使俄歇电子能谱被广泛应用。
俄歇电子能谱的基本机理是：入射电子束或X射
线使原子内层能级电子电离，外层电子产生无辐
射俄歇跃迁，发射俄歇电子，用电子能谱仪在真
空中对它们进行探测。
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谱学导论
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§8.4 俄歇电子能谱(AES)
8.4.1 俄歇过程和俄歇电子能量
俄歇电子
WXY跃迁产生的俄歇电
子的动能可近似地用
经验公式估算，即：
EW XY  EW ( Z )  E X ( Z )
 EY ( Z  )  
原子序数
实验值在
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1
2
和
3
4
之间
功
函
数
WXY俄歇过程示意图
谱学导论
另一表达式
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§8.4 俄歇电子能谱(AES)
俄歇跃迁能量的另一表达式为：
EW XY
1
 EW ( Z )  {E X ( Z )  E X ( Z  1)}
2
1
 {EY ( Z )  EY ( Z  1)}  
2
俄歇过程至少有两个能级和三个电子参与，所
以氢原子和氦原子不能产生俄歇电子。(Z3)孤
立的锂原子因最外层只有一个电子，也不能产
生俄歇电子，但固体中因价电子是共用的，所
以金属锂可以发生 KVV 型的俄歇跃迁。
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谱学导论
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§8.4 俄歇电子能谱(AES)
8.4.2 俄歇谱图
从微分前俄歇谱
的 N(E) 看出，这部分
电子能量减小后迭加
在俄歇峰的低能侧，
把峰的前沿变成一个
缓慢变化的斜坡，而
峰的高能侧则保持原
来的趋势不变。俄歇
峰两侧的变化趋势不
同，微分后出现正负
峰不对称。
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谱学导论
石墨的俄歇谱
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§8.4 俄歇电子能谱(AES)
8.4.3 化学效应
化学环境的强烈影响常常导致俄歇谱有如下三
种可能的变化：(称为化学效应)
1）俄歇跃迁不涉及价带，
化学环境的不同将导致
内层电子能级发生微小
变化，造成俄歇电子能
量微小变化，表现在俄
歇电子谱图上，谱线位
置有微小移动，这就是
化学位移。
锰和氧化锰的俄歇电子谱
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谱学导论
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§8.4 俄歇电子能谱(AES)
锰
氧化锰
L3 M 2,3 M 2,3 543eV
540eV
L3 M 2,3 M 4,5 590eV
587eV
L3 M 4,5 M 4,5 637eV
636eV
氧化锰
锰
锰和氧化锰的俄歇电子谱
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谱学导论
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§8.4 俄歇电子能谱(AES)
2）当俄歇跃迁涉及
到价电子能带时，情
况就复杂了，这时俄
歇电子位移和原子的
化学环境就不存在简
单的关系，不仅峰的
位置会变化，而且峰
的形状也会变化。
Mo2C、SiC、石墨和金刚石中
碳的 KLL（KVV或）俄歇谱
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谱学导论
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§8.4 俄歇电子能谱(AES)
3)能量损失机理导致的变化将改变俄歇峰
低能侧的拖尾峰。
由于俄歇电子位移机理比较复杂，
涉及到三个能级，不象X射线光电子能谱
那样容易识别和分析，并且通常使用的
俄歇谱仪分辨率较低，这方面的应用受
到了很大的限制。
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谱学导论
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§8.5 电子能谱仪简介
§8.5
电子能谱仪简介
电子能谱仪主要由激发源、电子能量分析器、
探测电子的监测器和真空系统等几个部分组成。
2016/8/6
谱学导论
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§8.5 电子能谱仪简介
8.5.1 激发源
电子能谱仪通常采用的激发源有三种：X射线源、真
空紫外灯和电子枪。商品谱仪中将这些激发源组装在
同一个样品室中，成为一个多种功能的综合能谱仪。
电子能谱常用激发源
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谱学导论
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§8.5 电子能谱仪简介
1.Ｘ射线源
XPS中最常用的X射
线源主要由灯丝、
栅极和阳极靶构成。
要获得高分辨谱图和减少
伴峰的干扰，可以采用射
线单色器来实现。即用球
面弯曲的石英晶体制成，
能够使来自X射线源的光
线产生衍射和“聚焦”，
从而去掉伴线和韧致辐射，
并降低能量宽度，提高谱
仪的分辨率。
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双阳极X射线源示意图
谱学导论
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§8.5 电子能谱仪简介
UPS 光源的光子能量
2.紫外光源
紫外光电子能谱仪中
使用的高强度单色紫
外线源常用稀有气体
的放电共振灯提供。
气体
I (eV )
II
(eV )
He
21.22
40.81
Ne
16.85
26.91
16.67
26.81
Ar
11.83
11.62
H
UPS中的HeI气体放电灯示意图
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谱学导论
Lyman
 10.20
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§8.5 电子能谱仪简介
3.电子源
电子通常由金属的热发射过程得到。电子束具有可以
聚焦、偏转、对原子的电离效率高、简单易得等优点，
在电子能谱中，电子束主要用于俄歇电子能谱仪，因
用电子枪作激发源得到的俄歇电子谱强度较大。
常用于AES的一种电子枪
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谱学导论
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§8.5 电子能谱仪简介
8.5.2 电子能量分析器
电子能量分析器其作用是探测样品发射出来的不同
能量电子的相对强度。它必须在高真空条件下工作
即压力要低于10-3帕，以便尽量减少电子与分析器
中残余气体分子碰撞的几率。
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谱学导论
31
§8.5 电子能谱仪简介
半球形电子能量分析器
半球形分析器示意图
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谱学导论
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§8.5 电子能谱仪简介
筒镜形电子能量分析器
筒镜分析器示意图
2016/8/6
谱学导论
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§8.5 电子能谱仪简介
8.5.3 检测器
检测器通常为单通道电子倍增器和多通道倍增器
光电子或俄歇电
-13
-9
子流 10 ~ 10 A
倍增器
10 ~ 1A
通道电子倍增器是
一种采用连续倍增电极
表面（管状通道内壁涂
一层高阻抗材料的薄膜）
静电器件。内壁具有二
次发射性能。电子进入
器件后在通道内连续倍
增，增益可达 109 。
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-4
多通道检测器是由多
个微型单通道电子倍
增器组合在一起而制
成的一种大面积检测
器，也称位敏检测器
（PSD）或多阵列检测
器。
谱学导论
34
§8.5 电子能谱仪简介
8.5.4 真空系统
电子能谱仪的真空系统有两个基本功能。
1、使样品室和分析
器保持一定的真空
度，以便使样品发
射出来的电子的平
均自由程相对于谱
仪的内部尺寸足够
大，减少电子在运
动过程中同残留气
体分子发生碰撞而
损失信号强度。
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2、降低活性残余气体的分
压。因在记录谱图所必需的
时间内，残留气体会吸附到
样品表面上，甚至有可能和
样品发生化学反应，从而影
响电子从样品表面上发射并
产生外来干扰谱线。
298K吸附一层气体分子所需时间
10-4Pa时为1秒；10-7Pa时为1000秒
谱学导论
35
§8.5 电子能谱仪简介
8.5.5 样品处理
电子能谱仪原则上可以分析固体、气体和液体样品。
气体
气
化
液体
冷
冻
固体
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采用差分抽气的方法把气体
引进样品室直接进行测定
校正或消除样
品的荷电效应
块状：直接夹在或粘在
样品托上在样品托上；
粉末：可以粘在双面胶
带上或压入铟箔（或金
属网）内，也可以压成
片再固定在样品托上。
谱学导论
电中和法、
内标法和
外标法
（1）真空加热；
（2）氩离子刻蚀。
36
§8.6 应用举例
§8.6 应用举例
电子能谱目前主要应用于催化、金属腐蚀、粘合、
电极过程和半导体材料与器件等这样一些极有应用
价值的领域，探索固体表面的组成、形貌、结构、
化学状态、电子结构和表面键合等信息。随着时间
的推移，电子能谱的应用范围和程度将会越来越广
泛，越来越深入。
UPS主要用于提供
1）清洁表面或有化学吸附物的表面的电子结构；
2）参与表面化学键的金属电子和分子轨道的组合
等信息；
3）有关电子激发和电荷转移的信息。
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谱学导论
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§8.6 应用举例
XPS 是用X射线光子激发原子的内层电子发生电离，
产生光电子，这些内层能级的结合能对特定的元
素具有特定的值，因此通过测定电子的结合能和
谱峰强度，可鉴定除H和He（因为它们没有内层能
级）之外的全部元素以及元素的定量分析。
AES 也不能分析H、He，对样品有一定的破坏作用，
但其具有表面灵敏度高（检测极限小于10-18g）、
分析速度快等优点，在表面科学领域主要进行
1）表面组成的定性和定量；
2）表面元素的二维分布图和显微像；
3）表面元素的三维分布分析;
4）表面元素的化学环境和键合等方面的研究。
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谱学导论
38
§8.6 应用举例
8.6.1 表面组成的分析
体相Pd原子浓度为
40%的Ag-Pd合金
研究表明，表面组成和
体相组成不同，这是由
于发生表面富集或形成
强的吸附键所导致的。
用AES或XPS能测量样品
表面“富集”情况。
Ar轰击表面清洁处理后，由
于Ag的溅射几率较高，合金
表面Pd的相对浓度为57%
高温退火后，合金稳定的表
面组成为Pd32Ag68，表面为
Ag富集。
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Ag-Pd合金退火前后的AES谱
a.退火前；b.700K退火5min.
谱学导论
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§8.6 应用举例
样品的深度分析
体相Ni72B28
氧化态B
元素态B
Ni-B合金表面Ni、B、O的表面浓度与氩刻时间的关系
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谱学导论
40
§8.6 应用举例
8.6.2 化学状态的鉴定
原子化学环境的变化对XPS和AES中测
量的电子能量都有影响，使之偏离标
准值产生所谓的化学位移。根据化学
位移的数值，可以给出待测样品的化
学状态的信息。
下面是Ni80P20合金表面Ni的2P3/2、O的1S以
及P的2P XPS图谱。
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谱学导论
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§8.6 应用举例
Ni-P合金的Ni 2p3/2 XPS谱
金属态的镍Ni
较
高
氧
化
态
的
镍
Ni3+
a 清洁表面； b 1barO2、403K氧化1小时
2016/8/6
谱学导论
42
§8.6 应用举例
Ni-P合金的O 1s XPS谱
表面污染的氧
氧
化
镍
中
的
氧
P2 O5
中
的
氧
a 清洁表面； b 1barO2、403K氧化1小时
2016/8/6
谱学导论
43
§8.6 应用举例
Ni-P合金中P的2p XPS谱
P2 O5
中
的
磷
a 清洁表面； b 1barO2、403K氧化1小时
2016/8/6
谱学导论
44
§8.6 应用举例
氧吸附对表面B
和Ni的影响
氧化态B于处172eV的
谱线出现并逐渐变强
元素态硼主要在
180eV处有一个强峰
Ni-B合金表面AES谱
1L=1.3×10-4Pa×60s
2016/8/6
谱学导论
45
§8.6 应用举例
8.6.3 在催化研究中的应用
合成氨催化剂的Fe
2P3/2 芯能级的结合能
随还原程度 af而变
化。
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谱学导论
46
§8.6 应用举例
MoO3/Al2O3催
化剂的XPS谱
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谱学导论
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