【正文】 格巴恩 ,瑞典科學家 ) 研制成功 XPS譜儀? 60年代，發(fā)展成為商用儀器? 主要： PHI公司， VG公司， Karatos 公司? 發(fā)展方向：單色化，小面積，成像 XPSXPS能譜儀的構成主要部件：真空系統(tǒng)；X射線源；離子源 ‘能量分析系統(tǒng)電子控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng) X射線光電子能譜儀結構框圖 真空系統(tǒng)? 為什么需要超高真空？? 電子的平均自由程；（ 10－ 5Torr， 50m）? 清潔表面（ 10－ 6torr， 1s， 原子單層）? 場發(fā)射離子槍要求（ 108torr ）? XPS要求： 108torr以上 ? 真空系統(tǒng)的構成機械泵：有油污染，噪音， 10－ 3torr吸附泵：干凈，需要液氮，容量小， 10－ 3torr油擴泵：價格低，油污染， 10－ 6－ 10－ 10torr 渦輪分子泵：體積小，半無油，抽速大，價高 噪音大， 10－ 8torr濺射離子泵：高真空，無油，需要前級真空 無噪音 ， 10－ 11torr升華泵：抽速高，需要前級真空，消耗性濺射離子泵? 陰陽極之間高壓（ 5KV） 放電產(chǎn)生電子，和氣體分子碰撞，產(chǎn)生離子。? 高速離子撞擊鈦板，射入 Ti板中被吸收，達到抽氣目的，獲得超高真空? 磁場使電子產(chǎn)生螺旋運動，碰撞產(chǎn)生更多的離子；? 對水氣， H2比較困難， H離子不容易吸收。X射線源? X射線的產(chǎn)生；? 光電子能譜用 X射線特點? X射線源的結構? X射線的單色化? X射線的聚焦和掃描X射線的產(chǎn)生1. X射線是特征射線，不是連續(xù)波，能量具有單色性；2. X射線的能量與材料有關；3. X射線不是一根線，具有一系列線；4. XPS需要單色的，一定能量的 X射線X射線源結構 1. 由燈絲，陽極靶及慮窗組成2. 一般采用雙陽極靶3. 常用 Mg/Al雙陽極靶（， ）4. 加鋁窗或 Be窗，阻隔電子進入分析室，也阻隔 X射線輻射損傷樣品。5. 燈絲不面對陽極靶，避免陽極的污染Mg/Al雙陽極 X射線源? 能量范圍適中（ ）? X射線的能量范圍窄（ eV）? 能激發(fā)幾乎所有的元素產(chǎn)生光電子；? 靶材穩(wěn)定，容易保存以及具有較高的壽命? 不同射線源的能量和線寬X射線源的選擇? 對于一些元素，其結合能較高，選擇高能量靶，可以提高信號強度；? 對于一些元素，需要高的能量分辨率以及低結合能端的信息，就可以采用低能靶；? 對于研究 XAES線，一般需要采用高能靶。? 低能靶的能量分辨率高，對價帶峰和低動能峰有利；高能靶激發(fā)能量強，能量分別率差。不同 X射線源激發(fā)的 XPS譜同步輻射源? 能量范圍可調；? 單色性好；峰寬窄；? 射線強度大? 聚焦束斑小? 裝置復雜? 固定場所? 價格貴X射線的單色化? X射線均具有很寬的自然寬度，能量分辨率受到限制；必須進行單色化；? X射線難以聚焦，單色化很困難；? 一般采用 Rowland圓晶體進行單色化（衍射方式）。? 強度為原來的 1%。使用石英晶體單色化 Al K?射線（ Scienta ESCA300譜儀示意圖 借助于石英晶體單色器，有可能將 Al K?射線單色化，其結果是消除了韌致輻射、伴峰和寄生線，并使特征 X射線線寬降低到低于 。XPS特點? XPS的主要特點是它能在不太高的真空度下進行表面分析研究，這是其它方法都做不到的。當用電子束激發(fā)時，如 用 AES法，必須使用超高真空，以防止樣品上形成碳的沉積物而掩蓋被測表面。 X射線比較柔和的特性使我們有可能在中等真空程度下對表面觀察若干小時而不會影響測試結果。? 此外，化學位移效應也是 XPS法不同于其它方法的另一特點，即采用直觀的化學認識即可解釋 XPS中的化學位移，相比之下，在 AES中解釋起來就困難的多。 光電子譜線的特點及表示? 光電子譜線與原子結構有關? 其特點是量子化的? 標記可用激發(fā)躍遷的能級來標記表面靈敏度? XPS探測的是從固體表面層發(fā)射出來的，攜帶有大量表面信息（表面結構，元素組成，化學鍵及其表面電子結構等信息）的光電子；? XPS攜帶信息的深度與多種因素有關；一般可以用電子的非彈性散射平均自由程來描述；? 對于 XPS， 其探測深度為 15nm；結合能原理? 光電子能譜的結合能原理? 氣體分子的結合能? 固體物質的結合能? 凈電荷的計算? 弛豫過程結合能的概念? 結合能是指在某一元素的原子結構中某一軌道電子和和原子核結合的能量。結合能與元素種類以及所處的原子軌道有關，能量是量子化的。結合能反映了原子結構中軌道電子的信息。? 對于氣態(tài)分子，結合能就等于某個軌道的電離能，而對于固態(tài)中的元素，結合能還需要進行儀器功函的修正。結合能的理想解釋原子的軌道能級1. 光子和原子碰撞產(chǎn)生相互作用2. 原子軌道上的電子被激發(fā)出來3. 激發(fā)出的電子克服儀器功函進入真空，變成自由電子4. 每個原子有很多原子軌道，每個軌道上的結合能是不同的；5. 結合能只與能級軌道有關，是量子化的；6. 內層軌道的結合能高于外層軌道的結合能；氣體分子的結合能結合能與電離能的關系1. Koopmass近似：認為在光電子激發(fā)過程，原子核是被凍結的，對電子沒有影響。2. 可以認為原子的結合能就是原子的軌道電離能；Eb=I3. 分子弛豫能：由于電離過程對分子產(chǎn)生的微擾作用，使得軌道電子的能量產(chǎn)生微小變化，分子 弛豫能ER；4. Eb＝ I－ ER電子相關作用1. 電子相關效應：原子核中多電子的相互作用使電離能增加的效應；2. 含 N個電子的中性分子的電子相關能要比含（ N－ 1） 個電子的離子的電子相關能要高；? Eb＝ I－ ER－ Ecorr氣體分子結合能與分子軌道的關系結合能的表述固體樣品? 在光電離過程中，固體物質的結合能可以用下面的方程表示：? Ek = h? Eb ?s ? 式中 Ek ? 出射的光電子的動能 , eV。? h? ? X射線源光子的能量 , eV；? Eb ? 特定原子軌道上的結合能 , eV；? ?s ? 譜儀的功函 , eV。? 譜儀的功函主要由譜儀材料和狀態(tài)決定，對同一臺譜儀基本是一個常數(shù)，與樣品無關，其平均值為 3～ 4eV。導電樣品的能級圖1. 導電樣品與譜儀的導電