第五章X射线能谱(波谱)分析技术
X射线光电子能谱分析法
50000 40000 30000 20000 10000 0 292 290 288 286 COOH C=O C-OH
Intensity /Counts
50000 40000 30000 20000 10000 COOH C=O C-OH C-C
35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 292 290 288 286 284 282 COOH C=O
合物体系中失活前后谱图变
化对比。
07:28:23
固体化合物表面分析
三种铑催化
剂X射线电子能
谱对比分析；
07:28:23
纳米碳管氧化
80000 70000 60000
Intensity /Counts
A
90000 80000 70000
Intensity /Counts
100000
B C-C
Intensity /Counts
07:28:23
[4+2]
[2+2]
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吡啶在单晶硅表面的吸附：B酸和L酸测定 样品处于－90oC，吸附吡啶后用XPS记录N 1s 峰。有二个， 彼此相隔2eV，均属氧化态。Eb 高的与B酸有关，Eb 低的与L 酸有关
B酸意味着表面有质子存在，吡啶中的N接受质子而氧化。这 样吡啶分子吸附在B位时带正电
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07:28:22
电子结合能
07:28:22
X射线光电子能谱分析法
X-ray photoelectron spectroscopy
光电子的能量分布曲线：采用特定元
素某一X光谱线作为入射光，实验测定的待 测元素激发出一系列具有不同结合能的电 子能谱图，即元素的特征谱峰群； 谱峰：不同轨道上电子的结合能或电
X射线光电子能谱分析方法及原理(XPS)
半导体工业
晶体缺陷分析、界面性质研究 等。
环境科学
大气污染物分析、土壤污染研 究等。
X射线光电子能谱分析的优缺点
1 优点
提供元素化学状态信息、非破坏性分析、高表面敏感性。
2 ห้องสมุดไป่ตู้点
样品需真空处理、分析深度有限、昂贵的设备和维护成本。
总结和展望
X射线光电子能谱分析是研究材料表面的有力工具。未来，随着仪器和技术的 不断进步，XPS将在更多领域发挥重要作用。
X射线光电子能谱分析方 法及原理(XPS)
X射线光电子能谱分析(XPS)是一种表面分析技术，通过测量材料的X射线光 电子能谱来研究材料的电子结构和化学组成。
X射线光电子能谱分析的基本 原理
XPS基于光电效应，探测材料与X射线相互作用所放出的光电子。通过测量光 电子能量和强度，可以推断材料表面元素的化学态。
X射线光电子能谱分析的仪器和实验设备
XPS仪器
包含X射线源、光电子能谱仪 和数据处理系统。
电子枪
产生高能电子束，用于激发材 料表面。
光电子能谱仪
测量光电子的能量和角度，用 于分析材料的电子结构。
X射线光电子能谱分析的样品准备方法
1 表面清洗
去除杂质和氧化层，以确保准确测量。
2 真空处理
在超高真空条件下进行实验，避免气体影响。
3 固定样品
使用样品架或夹具将样品固定在仪器中。
X射线光电子能谱分析的数据处理和解 析方法
峰面积计算
根据光电子峰的面积计算元素含量。
能级分析
通过分析光电子的能级分布，推断材料的化学状态。
谱峰拟合
将实验谱峰与已知标准进行拟合，确定元素的化学态和含量。
X射线光电子能谱分析的应用领域
X射线光电子能谱分析法
X射线光电子能谱分析法X射线光电子能谱分析法（XPS）是一种常用的表面分析技术，它通过测量材料表面的X射线光电子能谱来研究材料的化学组成、表面形貌以及表面电子结构等信息。
XPS技术具有高表面分辨率、高化学分辨率和宽能量范围等优点，被广泛应用于材料科学、表面科学和界面科学等领域。
下面将详细介绍XPS的原理、仪器结构、测量步骤以及应用。
XPS的原理：XPS基于光电效应，即当光子与物质相互作用时，能够使物质中的电子获得足够的能量从而被抛出。
通过测量被抛出的光电子的能量以及其强度，可以得到材料表面的各种信息。
XPS谱图由两个平行的轴表示，一个是电子能量轴，用来表示光电子的能量，另一个是计数轴，用来表示光电子的强度。
XPS的仪器结构：XPS的典型仪器结构包括光源、透镜系统、分析室、光电子能谱仪、多道分析器和检测器等部分。
其中，光源产生具有特定能量和强度的X射线，透镜系统用于聚焦X射线到样品表面，分析室用于保持真空环境，并可进行样品的表面清洁和预处理，光电子能谱仪用于测量光电子能谱，多道分析器用于对光电子的能量进行分析，检测器用于测量光电子的强度。
XPS的测量步骤：1.样品表面处理：对于有机材料，样品表面可能存在有机污染物，需要通过加热或离子轰击等方法进行表面清洁。
对于无机材料，一般不需要进行表面处理。
2.真空抽取：将样品放入真空室中，并进行抽取，以保证测量时的真空环境。
3.光源和透镜系统调节：调节光源的能量和透镜系统的聚焦，使其能够产生精确的X射线束。
4.测量样品表面：将样品置于X射线束中，测量样品表面的X射线光电子能谱。
5.数据分析：对测量得到的光电子能谱进行分析，得到材料的化学组成、表面形貌以及表面电子结构等信息。
XPS的应用：1.表面化学组成分析：XPS可以确定材料表面的元素组成和化学状态，对于催化剂、薄膜材料等具有重要意义。
2.表面形貌研究：通过测量不同位置的XPS谱图，可以了解材料表面的形貌特征，如晶体结构、晶粒尺寸等。
x射线能谱仪原理
x射线能谱仪原理
X射线能谱仪是一种用于分析物质组成的仪器，其原理基于X 射线与物质相互作用产生的特征信号。
该仪器主要由光学系统、能谱仪器和数据采集系统三部分组成。
光学系统的作用是将X射线聚焦到样品表面，以提高信号强
度和空间分辨率。
通过使用聚焦系统，可以使得X射线束从
广角辐射变为平行光束，进而在样品表面形成更小的激发斑点。
能谱仪器部分由两个主要组件组成：激发源和探测器。
激发源用于产生连续谱的X射线，一般使用X射线管来产生特定的
能量范围的X射线。
探测器用于检测X射线与样品相互作用
后产生的能谱信号，常用的探测器有固态探测器和气体探测器。
数据采集系统负责接收和处理探测器输出的能谱信号。
该系统对输入信号进行放大和模数转换，将模拟信号转化为数字信号，然后对数字信号进行峰位和峰面积测量，最终得到能谱图。
在实际应用中，X射线能谱仪主要用于物质成分的定性和定量分析。
通过比较待测样品的能谱图与已知物质的能谱图进行匹配，可以确定待测样品的成分及含量。
总之，X射线能谱仪利用X射线与物质相互作用产生的能谱
信号来分析物质组成，通过光学系统、能谱仪器和数据采集系统实现信号的产生、检测和处理。
X射线荧光光谱分析基本原理
X射线荧光光谱分析X射线是一种电磁辐射，其波长介于紫外线和γ射线之间。
它的波长没有一个严格的界限，一般来说是指波长为0.001-50nm的电磁辐射。
对分析化学家来说，最感兴趣的波段是0.01-24nm，0.01nm左右是超铀元素的K系谱线，24nm则是最轻元素Li的K系谱线。
1923年赫维西(Hevesy, G. Von)提出了应用X射线荧光光谱进行定量分析，但由于受到当时探测技术水平的限制，该法并未得到实际应用，直到20世纪40年代后期，随着X射线管、分光技术和半导体探测器技术的改进，X荧光分析才开始进入蓬勃发展的时期，成为一种极为重要的分析手段。
1.1 X射线荧光光谱分析的基本原理当能量高于原子内层电子结合能的高能X射线与原子发生碰撞时，驱逐一个内层电子而出现一个空穴，使整个原子体系处于不稳定的激发态，激发态原子寿命约为10-12-10-14s，然后自发地由能量高的状态跃迁到能量低的状态。
这个过程称为驰豫过程。
驰豫过程既可以是非辐射跃迁，也可以是辐射跃迁。
当较外层的电子跃迁到空穴时，所释放的能量随即在原子内部被吸收而逐出较外层的另一个次级光电子，此称为俄歇效应，亦称次级光电效应或无辐射效应，所逐出的次级光电子称为俄歇电子。
它的能量是特征的，与入射辐射的能量无关。
当较外层的电子跃入内层空穴所释放的能量不在原子内被吸收，而是以辐射形式放出，便产生X射线荧光，其能量等于两能级之间的能量差。
因此，X射线荧光的能量或波长是特征性的，与元素有一一对应的关系。
图1-1给出了X射线荧光和俄歇电子产生过程示意图。
K层电子被逐出后,其空穴可以被外层中任一电子所填充，从而可产生一系列的谱线，称为K系谱线：由L层跃迁到K层辐射的X射线叫Kα射线,由M层跃迁到K 层辐射的X射线叫Kβ射线……。
同样,L层电子被逐出可以产生L系辐射(见图1-2)。
如果入射的X射线使某元素的K层电子激发成光电子后L层电子跃迁到K层，此时就有能量ΔE释放出来，且ΔE=EK-EL，这个能量是以X射线形式释放，产生的就是Kα射线，同样还可以产生Kβ射线，L系射线等。
X射线光电子能谱分析法
X射线光电子能谱分析法X射线光电子能谱分析法（X-ray photoelectron spectroscopy，XPS）是一种非常重要的表面分析技术，广泛应用于材料科学、化学、表面物理、生物技术和环境科学等领域。
本文将对X射线光电子能谱分析法进行详细介绍，包括基本原理、仪器分析系统和应用领域。
一、基本原理X射线光电子能谱分析法是利用X射线照射固体表面，使其产生光电子信号，并通过测量光电子的动能和数量，来确定样品表面的化学成分及其状态。
其主要基于光电效应（photoelectric effect）和X射线物理过程。
光电效应是指当光子入射到固体物质表面的时候，会将表面电子激发到导带或导带以上的能级上，并逃离固体形成受激电子。
这些逃逸的电子称为光电子，其动能与入射光子的能量有关。
X射线物理过程主要包括光子的透射、散射和与原子内电子的相互作用等。
当X射线入射到固体表面时，会发生漫反射和荧光特性，造成信号的背景噪声。
同时，X射线的能量足够高，可以与样品的内层电子发生作用，如光电子相对能谱（Photoelectron RELative Energies）和化学平移分量（Chemical Shift）等。
二、仪器分析系统X射线光电子能谱分析系统包括光源、样品室、分析仪和检测器等。
光源常用的是具有较窄X射线能谱线宽的准单色X射线源，如AlKα线或MgKα线。
样品室的真空度一般要达到10^-8Pa左右，以避免空气对样品的干扰。
分析仪是用于测量光电子动能和数量的关键部件，常见的配备有放大器、电子能谱仪和角度分辨收集器等。
放大器将来自检测器的信号放大，并进行滤波处理以滤除高频噪声。
电子能谱仪是用于测量光电子动能的装置，一般包括一个径向入射、自由运动的光电子束和一个动能分析系统。
角度分辨收集器则用于测量光电子的角度分布。
检测器用于测量光电子的数量，常见的有多种类型的二极管（如能量分辨二极管和多道分析器）和面向瞬态X射线源的时间分辨仪器。
X射线光电子能谱分析(XPS)
第18章X射线光电子能谱分析18.1 引言固体表面分析业已发展为一种常用的仪器分析方法，特别是对于固体材料的分析和元素化学价态分析。
目前常用的表面成分分析方法有：X射线光电子能谱（XPS）, 俄歇电子能谱(AES)，静态二次离子质谱(SIMS)和离子散射谱(ISS)。
AES 分析主要应用于物理方面的固体材料科学的研究，而XPS的应用面则广泛得多，更适合于化学领域的研究。
SIMS和ISS由于定量效果较差，在常规表面分析中的应用相对较少。
但近年随着飞行时间质谱（TOF-SIMS）的发展，使得质谱在表面分析上的应用也逐渐增加。
本章主要介绍X射线光电子能谱的实验方法。
X射线光电子能谱（XPS）也被称作化学分析用电子能谱（ESCA）。
该方法是在六十年代由瑞典科学家Kai Siegbahn教授发展起来的。
由于在光电子能谱的理论和技术上的重大贡献，1981年，Kai Siegbahn获得了诺贝尔物理奖。
三十多年的来，X射线光电子能谱无论在理论上和实验技术上都已获得了长足的发展。
XPS已从刚开始主要用来对化学元素的定性分析，业已发展为表面元素定性、半定量分析及元素化学价态分析的重要手段。
XPS的研究领域也不再局限于传统的化学分析，而扩展到现代迅猛发展的材料学科。
目前该分析方法在日常表面分析工作中的份额约50%，是一种最主要的表面分析工具。
在XPS谱仪技术发展方面也取得了巨大的进展。
在X射线源上，已从原来的激发能固定的射线源发展到利用同步辐射获得X射线能量单色化并连续可调的激发源；传统的固定式X射线源也发展到电子束扫描金属靶所产生的可扫描式X射线源；X射线的束斑直径也实现了微型化，最小的束斑直径已能达到6μm大小, 使得XPS在微区分析上的应用得到了大幅度的加强。
图像XPS技术的发展，大大促进了XPS在新材料研究上的应用。
在谱仪的能量分析检测器方面，也从传统的单通道电子倍增器检测器发展到位置灵敏检测器和多通道检测器，使得检测灵敏度获得了大幅度的提高。
X射线光电子能谱分析
X射线光电子能谱分析X射线光电子能谱分析（X-ray photoelectron spectroscopy，简称XPS）是一种用来表征材料表面元素化学状态和电子能级分布的表征技术。
它利用X射线照射材料表面，测量和分析材料表面光电子的能谱，通过分析能谱图可以得到有关材料的化学组成、表面化学键的种类和键长、元素的电子与核心电子之间的相互作用等信息。
本文将对X射线光电子能谱分析技术的原理、仪器设备及应用领域进行详细介绍。
X射线光电子能谱分析的原理可以用以下几个步骤来概括：首先，用X射线照射材料表面，激发材料表面的原子和分子。
然后，从激发的原子和分子中发射出光电子。
这些光电子的能量与产生它们的原子或分子的能级差有关。
最后，测量和分析这些光电子的能谱，从而得到材料表面的化学组成和电子能级分布信息。
为了进行X射线光电子能谱分析，需要使用专门的仪器设备，包括X射线源、能量分辨光电子能谱仪和电子能谱仪。
X射线源通常使用非常亮的单晶或多晶X射线管。
光电子能谱仪用来测量光电子的能谱，并将所获得的信号转化为能谱图。
电子能谱仪则用来检测、放大和记录电子能谱图。
X射线光电子能谱分析可以在多个领域应用，具有广泛的研究意义和实际应用价值。
在材料科学领域，它可以用来表征材料表面的成分和化学状态，研究材料的性质和行为；在表面科学领域，它可以研究表面的形貌和变化，探索表面的特性和反应；在催化剂和材料化学领域，它可以分析催化剂的表面状态和反应过程；在电子器件和光学器件领域，它可以研究界面和界面化学反应的机理等。
总结起来，X射线光电子能谱分析是一种非常重要的表征技术，可以提供关于材料表面的成分、化学状态和电子能级分布等信息。
通过XPS技术，可以探索材料的性质、表面的形貌以及材料的化学反应机理等，对于材料科学、表面科学、催化剂和电子光学器件等领域的研究和应用具有重要意义。
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第五章 X射线能谱（波谱）分析技术
5.1 X射线（波谱）分析的理论基础
X射线的产生：
连续X射线电子束在原子实（由原子核与紧密束缚的电子组成）的库仑场中减速，形成能量连续的X射线谱，
其能量从零延伸到入射电子束的能量值
特征X射线电子束与内壳层电子相互作用驱出
束缚电子，使原子处于激发态，并在电子壳层内留出一个空位。
在随后的去激过程中，某个外层电子发生跃迁填充这个空位．这个跃迁过程伴随着能量的变化，原子以发射X射线或者
发射一个俄歇（俄歇（Auger））电子的形式释放能量。
由于
发射X射线的能量与原子中确定能级间的能量差有关，所以这
种X射线称为特征X射线
X射线作为电磁辐射，其能量E与波长λ的关系λ＝hc／eE＝1．2398／E（nm）
式中:
h为普朗克常数，c为光速，e为电子电荷，
E是以keV为单位的能量，λ的单位为nm。
由于用作X射线显微分析的谱仪包括波长谱仪(WDS)和能量谱仪(EDS)，所以通常用波长(nm或Å)或者能量(keV)单位描述X射线。
在任何能量E 或波长λ处的X 射线连续谱的强度I cm 由Kramers （1923）给出: 一、连续谱X 射线 E E E Z i Z i I o cm /)(~]1)/[(~min --λλ式中
i 为电流， 为靶的平均原子序数。
连续辐射强度随原子序数的上升而增加，是因为与低原
子序数的原子相比，重原子实（核与内层电子）中的库仑场强度较高的缘故，连续谱强度还直接随电子束的数量发生变化，即随束流i B 直接变化。
因为连续谱形成各被测特征信号的背底，所以连续谱辐射的高度对确定某个元素的最小检测限起着重要作用,通常认为连续谱有碍于分析。
二、特征X射线
一个高能电子束与原子相互
作用，引起一个内层电子发射，
该原子在随后的去激过程中产
生特征X射线。
具有足够能量
的电子束可驱出内层（K、L或
M）的电子，使原子处于电离
或激发态。
电子在电离后约重
10-12s内复原到基态（最低能
量状态）。
在复原过程中，电
子从某一壳层跃迁到另一壳层，
这些跃迁导致某种可能的结果：
激发态原子的多余能量将以电
磁波辐射的光子形式释放出来。
该光子的能量等于在跃迁过程
中有关壳层间的能量差，对于
内层电子的跃迁，该光子的能
量正好处于X射线电磁波的谱
段内。
（a）临界电离能
当一个电子离开某个壳层并且从原子中出射时，就发生电离，由于主壳层和次壳层的能量是严格确定的，所以从某个壳层激发出一个电子所需的最小能量也是确定值，该值称为临界电离能（或X射线吸收能）。
每个主壳层和次壳层需要不同的临界电离能。
（b）特征X射线的能量
莫塞莱（Moseley，1913，1914）：
由辐射跃迁而发射的X射线称为特征X射线，因为它的特定能量（和波长）表示了某个被激发元素的特征。
壳层的能级随原子序数的不同而变化，因此即使相邻原子序数的原子其壳层间的能级差也有显著的变化。
λ＝B／（Z—C ）2
式中
B和C为常数，对于每个线系，它们的值不同；
λ为特征X射线的波长。
（c）X射线谱线系
（d）谱线权重
虽然许多可能的跃迁能够填补壳层中出现的空位，从而产生不同能量的X射线，例如Kα和Kβ，就有多达25条不同的L谱线，每种类型的跃迁的几率，也有相当大的差别。
我们用“谱线权重”表示形成某系谱线的相对几率，即引起某壳层电离的几率。
对谱线权重进行分析，可以看出每个元素只有相当少的一组强X射线谱线，许多跃迁虽然都可能发生，但在分析中通常只能测定这些“主要谱线”。
某个线系的一些弱谱线有可能存在于未知谱中，知道这点非常重要，否则会把这些低强度谱线误解为样品中的微量元素。
三、X射线产生的深度
特征X射线大部分产生在相互作用区内，这个相互作用区是由于电子在固体中的散射而形成的。
为了预计X射线的产生深度，或“X射线的产生范围”和X射线源的大小（X射线空间分辨率），必须知道电子的穿透情况。
电子的穿透范围可用下式表示：
式中
K值与材料参数有关，n值在1．2到1．7之间变化。
在铝、铜和金中，Al Kα、Cu Kα、Cu Lα和Au Lα谱线的X射线产生范围与束能量的函数关系
5.2 能量谱仪 莫塞莱定律 莫塞莱（Mosely 1913，1914）发现，由辐射跃迁而发射的X 射线，因为它特定能量（和波长）表示了某个被激发元素的特征。
壳层的能级随原子序数的不同而变化，因此即使相邻原子序数的原子其壳层间的能级差也有显著的变化，各种元素的特征X 射线波长λ与原子序数Z 之间的关系可以用下式表示：
)
(σλ
-=Z K hc
式中： K 、h 、σ ――为常数
C ―光速 Z ―原子序数 λ―波长
只要能测出特征X 射线的波长，便可求出原子序数Z ，进而确定试样特征X 射线发射区中所含的化学元素。
特征X 射线的能量与波长的关系
式中 E―X光子能量 λ―特征X 射线波长
C―光速 H―普朗克常数
测量X 射线光子能量和测量X 射线波长是等价的。
以布拉格衍射为依据利用分光晶体，对特征X 射线波长进行分光，一般称波长色散法，所用仪器叫X 射线波谱仪（WDS ）；用半导体检测器对特征X 射线能量进行分光，称能量色散法，所用仪器叫X 射线能谱仪（EDS ）。
λ
c
h E =
X射线能谱仪的结构原理
5.3 波长谱仪
布拉格（Bragg）方程: 射线是波长很短的电磁波 , X光子以θ入射角射入晶面发生衍射。
2dsinθ=nλ
式中λ--特征X射线波长θ--衍射X射线与衍射晶面夹角（布拉格角）
d--分光晶体晶面间距 n--衍射级数，为整数1、2、……
X射线波谱仪的结构原理
5.4 波谱仪（WDS）与能谱仪（EDS）的对比
波谱仪（WDS）的能量分辨率（优于10eV）、检测
限（0.1～0.001％WT）、定量分析精度（0.1～0.2％）比较高，但它要求试样表面平整光滑、其分析速度较慢（30分钟左右）、其空间分辨率较低（最小分析区域Φ1μm以上）；能谱仪（EDS）的能量
分辨率（优于140eV）、检测限（1～0.5％WT）、
定量分析精度（5～0.5％）比较低，但它对试样表面没有特别的要求（可分析凸凹不平的试样）、其分析速度快（1分钟即可完成采谱、定性、定量分析）、其空间分辨率较高（最小分析区域Φ数百Å～0.1μm）。
波谱仪（WDS）检测元素范围是：4Be～92U；早期
的能谱仪（EDS）只能检测11Na～92U范围内的元素，现在的能谱仪也能对轻元素进行检测，检测元素范围为：4Be～92U。
X射线微区分析应注意的几个问题检测限：
WDS: 0.1～0.001％WT
EDS: 1～0.5％WT
结果归一化：
弱峰、重叠峰的定性：。