材料现代分析方法_1(XPS)讲义
XPS原理及分析精品课件(一)
XPS原理及分析精品课件(一)XPS是一种基于电子能谱的表征材料的表面化学成分、价态、电荷状态和电子结构的技术。
这一技术被广泛应用于分析各种材料，如晶体、表面、薄膜、纳米材料、生物材料等等。
而XPS原理及分析精品课件则是一个非常重要的课程，它可以帮助学生更深入地了解XPS的原理和应用，提高他们的实验技能和分析能力。
首先，我们需要了解XPS的原理。
XPS技术的核心在于电子能谱分析。
该技术利用高能量光子轰击样品的表面，使样品表面的原子和分子离子化，释放出许多电子。
这些电子的能量是与它们所在原子的价态和电子结构相关的。
电子能谱仪可以测量这些被释放出的电子的能量和数量，并根据这些信息推断出材料的化学成分和电子结构。
其次，XPS分析精品课件可以帮助学生更好地理解XPS的分析过程。
这个过程包括多个步骤。
首先要准备好要分析的样品，并将其放置在样品房中。
然后，使用高能量光子轰击样品表面，产生电子。
这些电子被聚焦到电子能谱仪中，其中的光学系统将它们聚集在一起。
在光子击中样品表面的同时，样品也会受到电极的干扰。
为了避免干扰，我们使用一个连接到电子能谱仪的电源，将样品表面的电子中性化。
最后，这门课程还将涵盖一些高级的分析技术。
比如，学生将学习如何在XPS分析中使用谱峰拟合技术，该技术可用于准确地确定化学成分和价态。
此外，我们还将学习取样技能，以便在分析之前正确准备样品。
这项技能在不同应用领域如生物医学、纳米科技、表面科学等方面具有非常大的价值。
总之，XPS原理及分析精品课件被认为是一项极其重要的课程，它可以帮助学生掌握一些重要的表面化学成分分析技术。
无论是在学术研究还是在工业领域，这些技能都是非常有价值的。
对于那些希望在此领域发展的学生来说，掌握这些技能将对他们的职业生涯产生积极的影响。
XPS仪器及基础分析讲义ppt课件
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XPS的应用
➢结构分析
有机结构分析 表面分析 生物大分子结构分析 高分子结构分析 催化剂表面分析 环境污染物结构分析
➢ 深度剖析不仅能给出元素的深度分布，同时也能给 出某一元素的化学状态随深度变化的情况．这种情 况能反映出一些钝化膜主要成分的性质与抗腐能力 的关系．
➢ 下面以A1—Cu合金材料表画钝化膜的深度剖析研究为例， 介绍一下XPS深度剖析在合金材料表面膜深度剖析中的应用.
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➢电子检测系统及基于PC机或工作站的服务性 数据处理系统，两者同时控制谱仪成
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➢图14画出了X射线光电子能谱仪的基本组成 部分。谱仪的作用过程是：产生很强的X射线， 照射样品使内层电子产生光致发射，把发射 的电子引入能量分析器，探测经过能量分析 的电子，并输出一个与电子结合能呈函数关 系的信号。
➢ 如果需要深度分布信息，那么最好是方法本身就具 有深度分析能力。然而，如要测量产生微弱信号的 痕量物质．那么，在一个不随实验时间变化的表面 上能够取得信号的平均值大概就是非常可贵的了。 当实在要求深度分布信息时，可以使用带有溅射装 置的化学分析光电子能谱。为某一特殊应用选择实 验方法时，总耍考虑由它们组合起来的一些折衷方 案。
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化学位移效应
➢需指出的是，除了由于原子周围的化学环境 的改变引起光电子峰位移外，样品的荷电效 应同样会影响谱峰位移，从而影响电子结合 能的正确测量。
环境材料分析方法课件-XPS
Cu 3p Au 4f7/2 Ag 3d5/2 Cu L3MM Cu 2p3/2 Ag M4NN
75.140.02 83.980.02 368.270.02 567.970.02 932.670.02 1128.790.02
75.130.02 84.000.01 368.290.01 334.950.01 932.670.02 895.760.02
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8.8 表面元素分布或图形化表征
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8.8 表面元素分布或图形化表征
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X射线光电子能谱法的特点：
①是一种无损分析方法(样品不被X射线分解)； ②是一种超微量分析技术(分析时所需样品量少)； ③是一种痕量分析方法(绝对灵敏度高)。 但X射线光电子能谱分析相对灵敏度不高，只能检测
CoOMoO3 / MgO Al2O3 CO H2O H2 CO2
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8.3 表面元素化学态测定
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8.3 表面元素化学态测定
化学态 不仅仅 是价态
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8.3 表面元素化学态测定
应用于： 催化剂活性成份、组分间相互作用机理、 失效机理； 表面反应，表面改性； 表面工程； 腐蚀与防护。
X射线一般不是单 一的特征X射线，而 是还存在一些能量略 高的小伴线，所以导
致XPS中，除K1,2所
激发的主谱外，还有 一些小峰。
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6.4.2 鬼峰（ghost peaks）
由于X射源的阳极可能不纯或被污染， 则产生的X射线不纯。因非阳极材料X射线 所激发出的光电子谱线被称为“鬼峰”。
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6.4.3 能量损失峰
C NH
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8.4 表面修饰和改性 心脏瓣膜用肝磷酯处理
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现代测试技术XPS讲课文档
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分辨率
分辨 ＝ E/率 E k10 % 0
E / E k (W / 2r ) 2 / 2
---光电子能谱的半高宽即绝对分辨率 Ek---通过分析器电子的额动能
W---狭缝宽度
r---两球间平均半径
---出口狭缝宽度与入口角
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➢ 筒镜式电子能量分析器
h
h
单色X射线也可激发多种核内电子或不同能级上的电子，产 生由一系列峰组成的电子能谱图，每个峰对应于一个原子能级 （s、p、d、f）；
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原理方程
光子的一部分能量用来克服轨道电子结合能( EB)，逃 逸消耗Ws ，余下的能量便成为发射光电子(e - ) 所具 有的动能 ( EK)，这就是光电效应。用公式表示为：
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注意: 在XPS谱图中自旋－轨道偶合作用
的结果，使l不等于0（非s轨道）的电 子在XPS谱图上出现双峰，而S轨道上 的电子没有发生能级分裂，所以在 XPS谱图中只有一个峰。
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11.4 化学位移
1. 定义
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
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
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5. 样品的制备
同轴圆筒，外筒接负压、内筒接地，两筒之间形成 静电场；
XPS方法原理与仪器分析ppt课件
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6、X轴：点A(X)，再点右键，然后点set column values，出 现一个对话框，在from中填1，在to中填401(通道数)，在 col(A)中填BE始-0.05*(i-1)， 或直接填1486.6-KE始- 0.05*(i-1)，最后点do it。
7、此时即可以作出N1s谱图。 8、画出来的图有可能有一些尖峰，那是脉冲，应把它们去
结合能校准：标准样品测定化学位移——谱图上测量峰位 位移、测量双峰间的距离变化、测量半峰高宽变化；
* 成分深度的分析能力
1、变角XPS深度分析：利用采样深度的变化获得元素浓度与
深度的对应关系；非破坏性分析；适用于1—5nm表面层；
2、Ar离子剥离深度分析：交替方式-循环数依据薄膜厚度及
深度分辨率而定；破坏性分析；.
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3、再下面一个数据是步长值，如0.05或0.1或1， 每张谱图间有可能不一样。
4、继续向下,可以找到401或801这样的数，该数 为通道数，即有401或801个数据点。
5、再下面的数据开始两个数据是脉冲，把它们舍 去，接下来的401或801个数据都是Y轴数据， 将它们copy到B(Y)。
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5、拟合：选好所需拟合的峰个数及大致参数后，点 Optimise region进行拟合，观察拟合后总峰与原始峰 的重合情况，如不好，可以多次点Optimise region。
6、参数查看：拟合完成后，分别点另一个窗口中的
Rigion Peaks下方的0、1、2等可看每个峰的参数，
第六章
➢ X射线光电子谱是重要的表面分析技术之一。它不仅 能探测表面以及深度的化学组成，而且可以确定各 元素的化学状态，因此，在化学、材料科学及表面 科学中得以广泛地应用。
XPS分析价态ppt课件
K
Si
K
Ti
K1
Cr
K1
Cu
K1
132.3 0.44 151.4 0.77 1041.0 0.4 1253.6 0.7 1486.6 0.8 1739.4 0.8 4511 1.4 5415 2.1 8048 2.5
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XPS X射线光电子谱基本原理
X射线光电子谱基本原理 X射线光电子能谱的理论依据就是Einstein的光电
1.0
1496.3
7.8
1498.2
3.3
1506.5
0.42
1510.1
0.28
1557.0
2.0
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XPS X射线光电子谱仪
X射线光电子谱仪
作为X射线光电子谱仪的激发源，希望其强度大、单色 性好。
同步辐射源是十分理想的激发源，具有良好的单色性， 且可提供10 eV~10 keV连续可调的偏振光。
LMM,EK EB，EF ref 分析仪器
75.20.1 84.0 368.2 932.20.1 919.00.1 567.60.1 Pd
AEIES100
83.80.2 368.20.2 932.80.2 918.30.2 568.35.2 Pd Maqnelic
84.07 368.23 932.53 918.65 567.96 Pd
AEIES200
84.0
932.7 918.35 568.25 Pd
AEIES200
83.980.02 368.210.03 932.660.06 918.640.04 567.970.04 Pd AEIES200B
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XPS X射线光电子谱仪的能量校准
能量坐标标定
材料现代分析方法(1)
材料现代分析方法重点（彭美勋部分）名词解释部分1，石墨单色器与分光晶体石墨单色器：利用衍射方法过滤杂色X射线的晶体单色器，比较滤波片更有效的消除x射线背底。
2，明场像与暗场像明场像：在电子显微镜中，用透过样品的非散射电子以及在物镜孔径角区域内的散射电子的电子束对样品所形成的像暗场像：在电子显微镜中，仅利用透过样品的散射电子束对样品所形成的像。
3，质厚衬度与衍射衬度以及原子序数衬度质量衬度：由于样品不同微区间存在原子序数或厚度的差异而形成的衍射衬度：由样品各衍射束强度差异形成的衬度。
影响因素主要是晶体取向和结构振幅原子序数衬度：由于试样表面物质原子序数或化学成分差别而引起的衬度4，wds与edsWds：波谱仪Eds：能谱仪能谱仪的优点有：分析速度快，灵敏度高，谱线重复性好。
缺点有：能量分辨率低，峰背比低。
工作条件要求严格。
波谱仪的优点有：波长分辨率很高。
5，二次电子与背散射电子二次电子成：在单电子激发过程中被入射电子轰击出来的核外电子背散射电子成：被固体样品原子反射回来的一部分入射电子5.1，二次电子像与背散射电子像答：二次电子象：是表面形貌衬度，它是利用对样品表面形貌变化敏感的物理信号作为调节信号得到的一种象衬度背散射电子像：背散射电子像的形成，就是因为样品表面上平均原子序数Z大的部位而形成较亮的区域，产生较强的背散射电子信号；而平均原子序数较低的部位则产生较少的背散射电子，在荧光屏上或照片上就是较暗的区域，这样就形成原子序数衬度。
6，物相定性分析与物相定量分析物相定性分析：鉴定试样中各种组成的构成，包括的元素、根或官能团等的分析。
物相定量分析：测定试样中各种组分(如元素、根或官能团等)含量的操作。
6.1，单晶衍射和多晶衍射单晶衍射：每一个斑点对应一个衍射面多晶衍射：每一个圆环是一系列等间距的衍射面问答部分7，扫描电子显微镜与透射电子显微镜异同答：相同之处：都是电真空设备，使用绝大部分部件原理相同，例如电子枪，磁透镜，各种控制原理，消象散，合轴等等。
材料研究分析方法XPS
材料研究分析方法XPSX射线光电子能谱（X-ray photoelectron spectroscopy，XPS）是一种广泛应用于材料研究和分析的表征技术。
它利用入射的X射线激发材料表面的电子，测量所产生的光电子的能量分布，从而确定样品的化学组成、元素状态和电子结构等信息。
本文将介绍XPS的基本原理、仪器及其应用。
XPS的基本原理是利用X射线激发材料表面的原子和分子，使其内层电子跃迁到外层，产生光电子。
这些光电子的动能与原子或分子的电子结构、化学环境和束缚能有关。
通过测量光电子的能谱，可以得到元素的化学状态、电荷状态和化学键的形式等信息。
XPS的实验装置一般包括X射线源、光学系统、电子能量分析器和探测器。
X射线源通常是基于一个X射线管，产生具有一定能量和强度的X射线。
光学系统将X射线聚焦到样品表面，同时也可以调节入射角度和区域。
电子能量分析器由能量选择器和探测器组成，能够分析光电子的能量分布。
探测器可以是多个位置灵敏的通道探测器，也可以是二维面探测器，用于测量光电子的能谱图像。
整个实验装置可以通过各种外围设备和计算机进行控制和数据处理。
XPS广泛应用于表面和界面的化学分析、薄膜和涂层的研究、材料的性能表征等领域。
在表面化学分析中，XPS可以用来确定元素的种类和含量，分析化学键的形式和强度，表征材料的化学性质和表面组成。
在薄膜和涂层研究中，XPS可以用来分析薄膜的厚度、界面的结构和反应机理，以及薄膜的成分和含量。
在材料性能表征中，XPS可以用来研究材料的电子结构、能带结构和载流子状态，了解材料的电子特性和导电机制。
XPS作为一种非接触性和表面敏感的表征技术，具有高分辨率、高灵敏度和高静态深度分辨能力等优点。
然而，XPS也有一些局限性，例如不能获取样品的化学状态和元素的价态，不能分析材料的体积成分等。
此外，XPS在样品准备和实验条件等方面要求较高，样品表面必须光滑且真空条件下进行测量。
总体而言，XPS是一种非常有用的表征技术，可以提供材料的表面和界面的化学信息，对于材料研究和分析具有重要的应用价值。
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《材料现代分析方法》
X射线的产生
高能电子轰击阳极靶可产生X 射线；
特征射线X射线不是连续波， 能量具有单色性，只与靶材 有关；
X射线不是一根线，具有一系 列线；
XPS需要单色的、一定能量 的X射线
《材料现代分析方法》
双阳极X射线管
由灯丝，阳极靶及窗口组成
一般采用双阳极靶；常用 Mg/Al双阳极靶
由于只有表面处的光电子才能从固体中逸出，因而 测得的电子结合能必然反应了表面化学成份的情况。 这正是光电子能谱仪的基本测试原理。
《材料现代分析方法》
2. 逃逸深度（λm）
与俄歇电子相同，只有那些来自表面附近在逃逸深 度以内的光电子才没有经过散射而损失能量，才对 确定Eb的谱峰有所贡献。
对于XPS 有用的光电子能量100~1200eV λm =0.5~2.0nm（金属） =4~10nm（高聚物）
真空内 真空外
《材料现代分析方法》
《材料现代分析方法》
1、X射线源
要求 ➢ 足够高的能量（使内层电子电离） ➢ 足够的强度（能产生足够的光电子通量） ➢ 尽量窄的线宽（单色X射线）
应用——Mg、Al源，线宽小，稳定性好 Mg的Kα线，E=1253.6eV，线宽0.7eV Al 的Kα线，E=1486.6eV，线宽0.85eV
只有能量在选定的很窄范围内的电子可能循着一定的轨道 达到出口孔，改变电势，可以扫描光电子的能量范围。
《材料现代分析方法》
3. 电子探测及数据处理
光电子信号微弱；10-16~ 10 -14A 光电倍增管，多通道板，位置灵敏检测器三种； 光电倍增管：
原理是当一个电子进入到倍增管内壁与表面材料发 生碰撞会产生多个二次电子，多次碰撞就可以达到 放大的目的； 采用高阻抗、高二次电子发射材料，增益：10 9
《材料现代分析方法》
4.离子束溅射
样品表面的清洁； 样品表面层的离子刻蚀； Ar离子，氧离子，铯离子，镓离子等 固定溅射和扫描溅射方式 溅射的均匀性 溅射过程的其他效应
《材料现代分析方法》
5.真空系统
电子的平均自由程；（10－5 torr，50m） 清洁表面（10－6 torr，1s，原子单层） 场发射离子枪要求（ 10-8 torr ） XPS要求：10-8 torr以上
《材料现代分析方法》
6. 成像XPS
给出的是元素分布像 可给出元素化学成份像 可进行显微分析 8微米分辨率
《材料现代分析方法》
三、XPS样品制备
X射线光电子能谱仪对待分析的样品有特殊的要求， 在通常情况下只能对固体样品进行分析。
由于涉及到样品在超高真空中的传递和分析，待分 析的样品一般都需要经过一定的预处理。
主要包括样品的大小，粉体样品的处理, 挥发性样品 的处理，表面污染样品及带有微弱磁性的样品的处 理。
《材料现代分析方法》
1. 样品的尺寸
在实验过程中样品通过传递杆，穿过超高真空隔离阀， 送进样品分析室。因此，样品尺寸必须符合一定规范。
对于块体样品和薄膜样品，其长宽最好小于10mm, 高度小于5 mm。
《材料现代分析方法》
逃逸深度与逸出角有关
mcos
θ为探测角，出射方向与面法线夹角 当θ = 0 ，垂直表面射出的电子来自最大逸出深度 当θ ≈ 90 ，近似平行于表面射出的电子纯粹来自最外 表面几个原子层 改变探测角θ可调整表面灵敏度
《材料现代分析方法》
二、XPS仪
X射线源 离子源 样品台 电子能量分析器 电子探测及倍增器 数据处理与显示
X射线易被内层电子吸收。若入射X射线能量（h ν） 大于原子中电子的结合能及样品的功函数时，电子可 以吸收光子的能量而逸出样品，形成光电子（内层电 子电离后较外层电子跃迁填补空穴，同时发射X射线 或俄歇电子）
《材料现代分析方法》
L1 L2
入射X射线 K
俄歇电子 特征X射线
光电子
《材料现代分析方法》
《材料现代分析方法》
单色化XPS谱图效果《材来自现代分析方法》2、电子能量分析器
为XPS的核心, 要求能精确测定能量 磁偏转式能量分析器（对环境磁场灵敏，目前不
采用）和静电型能量分析器 静电型能量分析器：
筒镜型分析器（同AES） 同心半球型分析器（又称球形致偏分析器）
《材料现代分析方法》
《材料现代分析方法》
光电子的动能：
Ek h Eb sp
所以
Eb h Ek sp
E b 电子束缚能 sp 谱仪的功函数
Ek 可实验测定 sp 一般为常数
由于每种元素的电子结构是独特的，测定Eb就可以判定元 素的类型。
《材料现代分析方法》
可见，当入射X射线能量一定，测出功函数和电子 的动能，即可求出电子的结合能。
对于体积较大的样品则必须通过适当方法制备成合适 大小的样品。但在制备过程中，必须考虑到处理过程 可能会对表面成分和状态的影响。
《材料现代分析方法》
2. 粉体样品
粉体的两种制样方法： 用双面胶带直接把粉体固定在样品台上 把粉体样品压成薄片，再固定于样品台上
加铝窗或Be窗，阻隔电子进 入分析室，也阻隔X射线 辐射损伤样品。
灯丝不面对阳极靶，避免阳 极的污染。
《材料现代分析方法》
X射线的单色化
X射线均具有很宽的自然宽度， 能量分辨率受到限制；必须进行 单色化；
X射线难以聚焦，单色化困难； 一般采用Rowland圆晶体进行
单色化（衍射方式）。 强度为原来的1%。
XPS又称化学分析用电子能谱（Electron Spectroscopy for Chemical Anslysis，ESCA），强调X射线电子能谱中既有光电子 峰，也有俄歇电子峰。
XPS是研究材料表面组成和结构的最常用的一种电子能谱。
《材料现代分析方法》
一、XPS基本原理
1.光电子发射
当X射线光子与样品作用，被样品原子的电子散射和 吸收。
第一章 表面探针分析
X射线光电子能谱（XPS） 俄歇电子能谱（AES） 二次离子质谱（SIMS）
《材料现代分析方法》
§1-1 X射线光电子能谱原理与应用
X射线光电子能谱 （X-Ray Photoelectron Spectroscopy，XPS）
利用X射线与样品表面作用产生光电子，通过分析光电子能 量分布得到光电子能谱，用来分析材料表面元素化学状态的方法。