光电子能谱课程
中国海洋大学光谱学课程大纲(理论课程)-中国海洋大学信息科学与工程
中国海洋大学光谱学课程大纲（理论课程）英文名称SPECTROSCOPY【开课单位】物理系【课程模块】专业知识【课程编号】【课程类别】选修【学时数】36 （理论28 实践8 ）【学分数】2备注：课程模块为公共基础、通识教育、学科基础、专业知识或工作技能；课程类别为必修或选修。
一、课程描述本课程大纲根据2011年本科人才培养方案进行修订或制定。
（一）教学对象物理学专业、光信息科学与技术专业等具有原子物理专业基础的高年级本科生（二）教学目标及修读要求1、教学目标通过本课程的学习，使学生了解光谱学的原理和特点，知识认识物质结构同光谱之间的联系，进一步了解光谱学在现代生活、科技等领域中的应用。
通过了解光谱理论与技术在实际中的应用以及同物理、化学、光学等学科之间的联系，培养学生的综合运用知识能力、独立思考能力、学习意识和创新意识。
2、修读要求光谱学是一门多学科交叉的课程，主要研究光与物质之间的相互作用现象及作用机理，并被广泛应用于物质结构研究和分析。
课程介绍光谱学的基本概念、原理、有关计算与应用，在内容上包括原子光谱、分子光谱，振动光谱、转动光谱、电子光谱和散射光谱等。
通过光谱学基础课程的学习，进一步理解物质的能级结构与光谱的关系，掌握光谱学的基本概念与原理，对激光及激光光谱技术有一定的了解，了解光谱技术在实际中的应用；能够与本专业知识相结合，了解本专业知识同光谱学知识之间的相互促进关系，从而培养学生的创新意识及独立思考能力。
（三）先修课程（参照2011版人才培养方案中的课程名称，课程名称要准确）量子物理二、教学内容本课程主要讲述原子光谱和双原子分子光谱，具体内容及要求如下：绪论了解光谱学的研究对象和发展过程，它在新科学上的应用范围和发展。
第一章光谱概述1. 主要内容: 光的基本性质和光和物质相互作用的经典规律；发光和光谱物理机理；吸收、发射和散射光谱等基本概念；光谱学的应用。
2. 教学要求：了解光的基本性质和光和物质相互作用的经典规律；掌握发光和光谱物理机理；熟悉吸收、发射和散射光谱等基本概念；了解光谱学的广泛应用。
光电子学 教学大纲
光电子学教学大纲科目名称：光电子学课程类别：专业课主讲教师：XXX学分：3 学分学时：54 学时（27 周）前置课程：电磁场与微波技术一、课程目标本课程旨在使学生全面了解光电子学的基本原理和应用，培养学生在光电子学领域的分析和解决问题的能力。
二、教学内容1. 光电效应1.1 光电效应的基本概念1.2 光电效应的量子理论1.3 光电效应的应用2. 光电子器件2.1 光电二极管的原理与特性2.2 光电导、光电二极管和光电三极管的应用2.3 光电子放大器的原理和应用3. 光波导理论3.1 光波导的基本原理3.2 单模和多模光纤的特性与应用3.3 光纤接口技术4. 光通信系统4.1 光通信的基本原理4.2 光纤通信系统的构成和组成4.3 光通信系统中的调制和解调技术4.4 光纤通信系统的网络结构5. 光存储技术5.1 光存储的基本原理5.2 光盘和光碟的结构和工作原理5.3 高密度光存储介质技术6. 光触媒材料与应用6.1 光触媒材料的基本原理6.2 光触媒的合成与表征6.3 光触媒在环境净化和能源领域的应用三、教学方法1. 理论讲授：通过课堂教学，对光电子学的基本概念、原理和应用进行系统性讲解。
2. 实验教学：通过光电子学实验，培养学生的实验设计和数据分析能力。
3. 讨论与案例分析：通过小组讨论和案例分析，引导学生思考和解决实际问题。
4. 学术报告：鼓励学生进行光电子学相关领域的学术研究，并组织学术报告会，提升学生学术交流能力。
四、考核方式1. 平时表现：包括出勤情况、课堂讨论和实验表现。
2. 期中考试：对学生对光电子学基本概念和原理的理解进行测试。
3. 课堂作业：通过书面作业，检验学生对光电子学的掌握程度。
4. 期末考试：对学生在理论和实验方面的综合能力进行综合评估。
五、参考教材1. 《光电子学基础》（第四版），作者：XXX，出版社：XXX2. 《光电子学导论》（第三版），作者：XXX，出版社：XXX六、教学进度安排Week 1-2: 光电效应- 光电效应的基本概念和实验观察- 光电效应的量子理论解释Week 3-4: 光电子器件- 光电二极管的原理与特性- 光电导、光电二极管和光电三极管的应用Week 5-6: 光波导理论- 光波导的基本原理和传输特性- 单模和多模光纤的特点和应用Week 7-8: 光通信系统- 光通信的基本原理与系统组成- 光纤通信中的调制和解调技术Week 9-10: 光存储技术- 光存储的基本原理和工作原理- 光盘和光碟的结构与应用Week 11-12: 光触媒材料与应用- 光触媒材料的基本原理和制备方法- 光触媒在环境净化和能源领域的应用Week 13-14: 复习与总结以上为《光电子学教学大纲》的主要内容，希望能够帮助学生全面了解光电子学的基本理论和应用，培养学生的分析和解决问题的能力，为学生在光电子学领域的学习和研究奠定基础。
X射线光电子能谱XPS介绍及分析
清华大学化学系材料与表面实验室
28
清华大学化学系材料与表面实验室
29
本底扣除
XPS的定量计算
• 由于在光电子的非弹性碰撞过程中，有一部分电子的能量 会产生连续的损失，因此，在XPS谱图上会产生大量的二 次背景电子。在低动能端会产生很高的背景，在进行准确 的定量分析时，必须扣去背景的影响。 • 一般经常采样的方法有直线扣背景法，主要适合低动能端 的背景扣除； • Shirley扣背景法：认为在任一点上由于非弹性散射的本底 电子均来自较高动能电子的散射，正比于较高动能光电子 的积分强度。
• 作为深度分析的离子枪，一般采用0.5～5 KeV的Ar离子源。 扫描离子束的束斑直径一般在1～10mm范围，溅射速率 范围为0.1 ～50 nm/min。
清华大学化学系材料与表面实验室 10
离子束溅射技术
• 为了提高深度分辩率，一般应采用间断溅射的方式。 • 为了减少离子束的坑边效应，应增加离子束的直径。 • 为了降低离子束的择优溅射效应及基底效应，应提高溅射速率和 降低每次溅射的时间。 • 在XPS分析中，离子束的溅射还原作用可以改变元素的存在状态， 许多氧化物可以被还原成较低价态的氧化物，如Ti, Mo, Ta等。 在研究溅射过的样品表面元素的化学价态时，应注意这种溅射还 原效应的影响。 • 此外，离子束的溅射速率不仅与离子束的能量和束流密度有关， 还与溅射材料的性质有关。一般的深度分析所给出的深度值均是 相对与某种标准物质的相对溅射速率。
清华大学化学系材料与表面实验室 16
XPS定性分析方法
• 在使用计算机自动标峰时，同样会产生这种情况。
• 另外，还必须注意携上峰，卫星峰，俄歇峰等这些 伴峰对元素鉴定的影响。
• 一般来说，只要该元素存在，其所有的强峰都应存 在，否则应考虑是否为其他元素的干扰峰。 • 一般激发出来的光电子依据激发轨道的名称进行标 记如C1s，Cu2p等。
电子能谱学第10讲紫外光电子能谱UPS教学课件
综合分析题
题目
讨论UPS在材料科学中的应用。
答案
UPS在材料科学中广泛应用于研究材料的电 子结构和化学状态。通过测量材料的电子跃 迁能量和态密度，可以了解材料的费米能级 、能带结构、化学键合状态等信息，对于理 解材料的物理和化学性质、优化材料性能以 及开发新材料具有重要的意义。
THANKS
感谢观看
区别
虽然UPS和UPS很相似，但它们的实验条件和应用范围有所不同。UPS通常使用紫外光作为激发源， 而UPS则使用X射线或电子束作为激发源。此外，UPS更常用于研究材料的价带结构和电子激发态， 而UPS则更常用于表面元素分析和化学态分析。
05
UPS技术前沿与展望
UPS技术发展现状
01
02
03
当前UPS技术已广泛应 用于物理、化学、材料 科学等领域，成为研究 物质结构和电子性质的
04
UPS与其他谱学技术的比较
UPS与XPS的比较
探测深度
UPS的探测深度比XPS更深，能够探测到样品表面下 几纳米深度的信息。
分辨率
UPS的分辨率比XPS更高，能够更准确地测量电子的 能量。
应用范围
UPS主要用于研究材料的价带结构，而XPS则更常用 于表面元素分析。
UPS与EELS的比较
能量分辨率
04
03
UPS实验技术与实践
UPS实验设备与操作流程
实验设备
UPS实验需要使用到紫外光源、电子能量 分析器、单色仪、样品台等设备。
VS
操作流程
首先，将样品放置在样品台上，并确保样 品表面平整、干净；然后，调整单色仪和 电子能量分析器的参数，使紫外光源发出 的光束通过单色仪，得到特定波长的光束 ；接着，将光束照射到样品上，激发出光 电子；最后，使用电子能量分析器对光电 子进行能量分析，得到光电子能谱。
光电子能谱(XPS)课程
AES标识（ X射线标识符号）： 例如
元素符号 Cr L23M23M23
主量子数用字 母符号
轨道角动量量子大于0的劈裂轨道
量子数谱学家标识法和X射线标识法间的关系(部分)
量子数
谱学家标 X射线标识符
n
l
s
j
识符号
号
1
0
＋1/2,-1/2
1/2
1s1/2
K
2
0
＋1/2,-1/2
1/2
2s1/2
L1
XPS标识（谱学家标识符号）： 例如
元素符号
主量子数
Sn 3d5/2 角量子数
电子自旋角动量与电子轨道角动量相互作用， 轨道角动量量子数大于0的轨道产生的峰通常劈裂成两个峰
j=| l + s |
注：对于p、d、f等能级的次能级（如p3/2、p1/2， 光电子能谱中一般省略/2，即为p3、p1）强度比是 一定的，p3:p1=2:1；d5:d3=3:2，f7:f5=4:3
二、基本原理与概念
2.1 基本原理
EXCITATION
光子
离子
电子
电子 EMISSION
• 发射源: 光子 (X射线)
样品
• 探测源: 电子 (光电子)
TRANSMISSION
X-rays in
photoelectrons out
Sample Surface Layer
BE= h ν-KE- Φ s
步骤 3 创建DSET文件， 设置测试位置和 分析最佳高度
步骤 5 根据全谱图分析， 确定需分析元素 分谱扫描能量区 域
步骤 4 采集全谱图，并 定性分析样品 （真空优于5×108 Torr ）
《结构化学》教学大纲
《结构化学》教学大纲课程编号：11107014学时：72学分：4课程类别：专业必修课面向对象：化学专业本科学生课程英文名称：Structural Chemistry一、课程的任务和目的《结构化学》是为化学专业本科生开设的一门专业必修课，教学计划中安排在第六学期开设。
本课程是从原子、分子的尺度研究物质的结构及结构与物质的物理、化学性质的关系的一门基础学科。
目的是使学生通过本课程的学习，掌握微观物质运动的基本规律，获得原子、分子及晶体结构的基本理论、基础知识，了解物质的结构与性能关系，了解研究分子和晶体结构的近代物理方法的基本原理，加深对前修课程如无机化学、有机化学等有关内容的理解，为中级无机化学等后续课程的学习打下必要的基础。
二、课程教学内容与要求（一）绪论明确结构化学课程的任务、内容和学习方法。
（二）量子力学基础和原子结构1. 教学内容（1）微观粒子的波粒二象性。
（2）实物微粒的运动规律—定态薛定谔方程。
（3）一维势箱中运动的粒子。
（4）氢原子与类氢离子的波函数。
（5）波函数和电子云的图示法。
（6）中心力场模型和原子轨道。
（7）原子轨道能与能级次序。
（8）电子自旋。
（9）原子核外电子排布与元素周期律。
2. 教学要求：（1）了解微观粒子运动的特点，量子力学处理微观体系的过程，本征值、本征函数和本征方程，原子光谱项。
（2）掌握罗意关系式，体系哈密顿算符和薛定谔方程，量子数的意义和取值，类氢体系的能量、角动量及其分量的计算，波函数与电子云的各种图示法，中心力场近似模型的思想，原子轨道和电子自旋的概念，行列式波函数。
3．重点和难点重点：微观粒子的波粒二象性，实物微粒的运动规律—定态薛定谔方程。
难点：氢原子与类氢离子的定态薛定谔方程的求解。
（三）共价键理论和分子结构1. 教学内容（1）价键理论的要点。
（2）氢分子离子和共价键的本质。
（3）分子轨道理论。
（4）双原子分子结构。
（5）杂化轨道理论简介。
（6）离域π键与共轭分子结构。
光电子能谱(1)
光电子能谱简介光电子能谱（Photoelectron Spectroscopy）是一种研究材料电子结构的方法，通过测量材料中被光激发出的电子的能量和动量分布，可以获得关于材料中原子和分子能级、电子态和能带结构的信息。
光电子能谱广泛应用于物理学、化学、材料科学等领域，对于理解材料的性质和反应机制具有重要意义。
原理光电子能谱的原理基于光电效应。
光电效应是指当光照射到金属表面时，如果光子的能量大于金属的功函数，光子被吸收，电子获得足够的能量以克服金属对电子的束缚力，从而从金属表面逸出。
逸出的电子称为光电子，其动能和飞行方向将反映出金属的电子能带结构。
光电子能谱实验中，通常使用紫外光源或X射线源作为光激发源。
光子进一步与待测样品相互作用，被激发的电子会穿过一个能量分析器，如电子能量分析器，该分析器可以测量光电子的动能和角分布。
通过测量不同能量的光电子的强度，可以得到材料的能带结构及电子态密度等相关信息。
仪器设置光电子能谱实验通常由以下仪器组成：1.光源：通常使用紫外光源或X射线源，产生具有足够能量激发样品中的电子。
2.能量分析器：用于测量光电子的动能和角分布。
常用的能量分析器包括电子能量分析器（hemispherical analyzer）和角度分辨能量分析器（cylindrical analyzer）等。
3.检测器：用于检测并记录光电子的强度。
4.样品台：用于放置待测样品，通常具有旋转和倾斜功能。
5.控制和数据采集系统：控制光源、能量分析器、检测器等仪器，同时采集和记录实验数据。
实验步骤光电子能谱实验的一般步骤如下：1.样品制备：将待测样品制备成所需形式，通常要求样品表面平整、清洁，并保持在超高真空环境下。
2.样品加载：将样品加载到实验装置的样品台上，并调整样品的位置和角度，以便获得所需的测量信号。
3.能量校准：通过测量标准样品的光电子能谱，校准能量分析器的刻度。
4.实验参数设置：根据实验需求，设置光源的能量、极化方向等参数，以及能量分析器的工作模式和角度分辨率等参数。
XPS原理及分析精品课件(二)
XPS原理及分析精品课件(二)
XPS原理及分析精品课件是一门针对X射线光电子能谱仪（XPS）的课程，下面列出了该课件的主要内容：
1. XPS的基本原理
XPS是一种表面分析技术，利用X射线照射样品表面，使得样品表面的原子和分子发生电离，电离后的电子被收集并分析，从而得到样品表
面元素的化学状态和含量信息。
2. XPS的仪器结构
XPS仪器主要由X射线源、样品台、能谱仪和电子探测器等部分组成。
其中，X射线源用于产生X射线，样品台用于支撑样品并调整样品位置，能谱仪用于分析电子能量，电子探测器用于收集电子。
3. XPS的分析流程
XPS分析的流程包括样品表面清洁、样品放置、X射线照射、电子收集
和分析等步骤。
其中，样品表面清洁非常重要，因为样品表面的杂质
会影响分析结果。
4. XPS的应用领域
XPS广泛应用于材料科学、化学、生物医学等领域，可以用于表面化学分析、物质表征、薄膜分析等方面，具有非常重要的应用价值。
5. XPS的优缺点
XPS具有高分辨率、高灵敏度、非接触式等优点，但也存在着分析深度有限、样品表面必须平整等缺点。
6. XPS的发展趋势
随着科技的不断进步，XPS技术也在不断发展。
未来XPS技术将更加精细化、自动化和多功能化，可以应用于更广泛的领域。
以上就是关于"XPS原理及分析精品课件"的相关内容，希望对大家有所帮助。
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价带：通常是指半导体或绝缘体中，在绝对零度下能被电子 占满的最高能带。
导带：由自由电子形成的能量空间。
EC EF EV
(EV-EGa 3d )b =18.81eV
Evac 界面
ECS
W
ΦB
EVS
EGa 3d
过掺杂会使费米能级 进入价带（p型半导体） 或导带（n型半导体）
岛津/KratosAXISULTRADLD多功能光电子能谱
2016.04.26
X 射线光电子能谱（ XPS ，全称为X-ray Photoelectron Spectroscopy）是一种基于光电效应的电子能谱，又名化学分析电子能 谱（ ESCA，全称为Electron Spectroscopy for Chemical Analysis）。
强度单位: cps X射线源
分辨率 2000×800 700×300
110
55
27
15
Mg Kα Mono(Al Kα)
0.8eV 1.0eV 1.3eV
0.48eV
0.55eV
1,100,000 9,200,000 11,800,000
—— ——
900,000 4,750,000 7,500,000 250,000 750,000
EGa 3d
n型GaAs表面的能带图
EGa 3d 为n型GaAs的最浅芯能级，He II激发的UPS谱中精确测定，(EV-EGa 3d )b 是GaAs体内Ga 3d能级到价带顶的能量间隔，可采用文献报道的精确值。 EF-EVS =EGa 3d -(EV-EGa 3d )b ,由于禁带宽度Eg ＝Ec －EV = EcS －EVS ，表 面势垒高度ΦB 和电子亲和势I、测定的样品功函数W的关系：I＝W－ΦB
成像：元素及化学状态XPS二维成像（空间分辨率3μm），SAM/AES二维成像 （电子枪分辨率100nm）； 价电子：能带分析和逸出功测试；
深度剖析：角分辨和离子溅射剖析，表面/界面分析，厚度分析；
最常用的表面与微区分析技术典型的测试深度
IS S Contact angle TOF SIMS XP S AES TXRF SEM GDMS Raman RB S ICPMS LEXES XR R FTIR EDS STEM XR D XR F
凯.西格班 （K. Siegbahn） ，瑞典乌普萨拉 (Uppsala)大学，研制开发出的一种新型表面分析仪 器和方法，于1954年获得氯化钠的首条高能高分辨 X射线光电子能谱，1969年首台商业单色X射线光电 子能谱仪，1981年诺贝尔物理学奖。
主要仪器厂家：岛津-Kratos公司、日本真空PHI公司、美国热电-VG公司等
二、基本原理与概念
2.1 基本原理
EXCITATION
光子
离子
电子
电子 EMISSION
• 发射源: 光子 (X射线)
样品
• 探测源: 电子 (光电子)
TRANSMISSION
X-rays in
photoelectrons out
Sample Surface Layer
BE= h ν-KE- Φ s
现今XPS的资源及标准： NIST XPS标准谱图 Handbook of X-ray Photoelectron Spectroscopy 网上资源汇总：
一、X射线光电子能谱的测试范围
表面 10nm 薄膜 100nm
体相
表面分析
定性：除H，He以外元素种类及化学状态（化学位移）信息(含量>0.1at%)； 定量：元素及化学状态定量；
3 nm 10 nm 100 nm
1,000 nm
Top surface Near surface Thin film
Coating
Bulk substrate
所内实验室附件
X射线光电 子能谱仪
(XPS)
紫外光电子 能谱仪 (UPS)
俄歇电子能 离子散射谱 谱仪(AES) 仪(ISS)
单色化Al/Ag靶、非单色化Al/Mg靶 同轴荷电中和枪 磁悬浮低能高效离子枪 高低温温度控制器
photon
Φs
valence band
KE Ev
Ef BE
core levels来自2.2 基本概念 结合能E b ：将一个电子从一指定的电子能级移到自由原 子或分子的真空能级，所必须消耗的能量。
逸出功W：费米能级和刚好在指定表面以外的最高势能间 的电子势能之差。
费米能级：对于金属，绝对零度下，电子占据的最高能级就 是费米能级。
束斑（μm） 110
2,000 10,000 15,000
—— 100,000
—— 3,000 9,000
—— 15,000 ——
500 1,500
XPS成像空间分辨率<3μm； 紫外光电子能谱(UPS) 以表面清洁Ag4d在140 emV 分辨
率下，灵敏度1,000,000 cps ，He I和 He II比例小于4：1 低能量悬浮离子枪能量范围：50eV~5000eV，Ar离子枪
200,000 1,200,000 1,800,000
45,000 135,000
50,000 300,000 450,000 12,000 36,000
绝缘体聚乙烯对苯二酸酯(PET)上性能
Resolution 分辨率
0.68eV 1.0eV 1.3eV
束斑（μm） 700×300
12,000 100,000 150,000
技术指标
厂 商：日本岛津公司 型 号: AXIS ULTRA DLD
到货日期：2008年6 月
GB/T 22571-2008 表面化学分析 X射线光电子能谱仪能量标
尺的校准
X射Sou线rce 源：Reso1lut5ionkV束,斑3（0μmm） A束斑(4（5μm0）W束)斑（清μm洁） 的束斑（Aμgm）3束d斑5（/μ2m光） 束电斑（子μm峰） ，
在Ta2O5刻蚀速率40nm/min@4keV， 2.2nm/min@500eV 扫描电子显微镜(SEM)场发射电子枪10kV，样品电流5nA 下，分辨率<100nm 。 俄歇电子能谱测量Cu LMM峰在10nA束流，10kV束能， 相对能量分辨率0.4%±0.05%下，灵敏度>50,000cps/nA， 信噪比500：1