光电子能谱(1)
光电子能谱图解释
想问下大家那个X射线光电子能谱图是怎么分析的，横坐标electron binding energy 和纵坐标photoelectron idensity 分别代表什么意思，从图中我们能得到哪样的一些信息呢，最好能附个图解释一下。
下面就是个光电子能谱图：
如果大家的回答比较的详细，一次送5个金币，如果比较完美，十个金币全部送出！:)
roubao(站内联系TA)
横坐标electron binding energy
是指结合能。
纵坐标photoelectron idensity
是指探测到的光电子密度，就是强度。
从图中我们能得到哪样的一些信息呢
从图中可以得出有哪些元素存在，各种元素的含量，
各种元素的价态
sdu虎哥(站内联系TA)
横坐标是电子的束缚能量，纵坐标是发光强度。
zhizhuocao(站内联系TA)
:arm::arm:
eddie999(站内联系TA)
横坐标electron binding energy 是指结合能。
纵坐标photoelectron idensity 是指探测到的光电子密度，就是强度。
原理：材料经由带有能量的X光照射后形成光电效应，将内层轨域的电子激发产生光电子，只有在样品表面所产生的光电子才能脱逸出而被测得，此被激发的光电子经侦检器分析后，可测得光电子束缚能的能谱，由于不同元素、不同轨域所产生的光电子束缚能不同，所以可由束缚能得知此光电子来自于哪一种元素的哪一层轨域。
当元素与不同元素键结时，由于键结的电荷密度不同会导致光电子束缚能有些许改变，当氧化态越高其束缚能越高，可由此束缚能的改变得知其化学键结。
主要用途：表面组成分析，化学状态分析，成分的深度分析。
光电子能谱
其分辨率为：
E W 2 Ek R 2
E 光电子能谱峰的半高宽， 即绝对分辨率
W 狭缝宽度 R 分析器中心线半径
狭缝入口角
检测器
产生的光电流：10-3～10-9mA； 电子倍增器作为检测器； 单通道电子倍增器；多通道电子倍增器；
真空系统
伴峰：X射线特征峰、Auger峰、多
重态分裂峰。
谱峰出现规律
(1)主量子数n小的峰比n大的峰强； (2)n相同，角量子 数L大的峰比L小
的峰强；
(3)内量子数J大的
峰比J小的峰强；
Z Ag 47
由于当角量子数l>0时会产生自旋-轨道耦合作 用，使得处于同一壳层的电子能级发生分裂， 因此，对于的l>0能级，XPS都呈现双峰。这种 分裂可以用内量子数j来表示：
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。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。
谱峰的物理位移和化学位移
物理位移：固体的热效应与表面荷电的作用引起的谱峰位移 化学位移：原子所处化学环境的变化引起的谱峰位移
产生原因： 1) 价态改变：内层电子受核电荷的库仑力和荷外其他电子的 屏蔽作用；电子结合能位移Eb；
与 EK 成正比，(电子动能在100-2000eV)。
在常规的 XPS 分析中，我们是分析来自相对于样品 表面90方向出射的电子，在一张XPS谱图中，无损 的分析深度，大约65%的信号来自小于 λ 的深度内， 85%的信号来自小于2λ 的深度内，95%的信号来自 小于3λ 的深度内。 我们在角分辨测量中可以用这一特性来获得组分 深度分析。
离子刻蚀深度剖析方法
第八章光电子能谱
3. AES具有灵敏度高, 分析速度快的特点, 可用于: (1) 表面组成的定性和定量; (2) 表面元素的化学环境与化学键等
8.1 基本原理
1. 光电效应及其有关特点
光电子: 用短波长的光辐照分子, 光子有时会被分子吸收而导致电子 从分子中发射出来. 这种发射出来的电子就是光电子. 分子因失去电子而成为阳离子.
光电效应可以只吸收一个光子而发射出一个自由电子. 紫外和X射线光电子能谱就是研究这种单电子过程.
有时会涉及两个电子的变化, Auger能谱和X射线荧光光谱就是 研究这类过程.
在CO中, C 1s 的电离能为:295.8 eV 在CO2中, C 1s 的电离能为:297.8 eV 在CO中, O 1s 的电离能为:541.1 eV 在CO2中, O 1s 的电离能为:539.8 eV
O(-0.37)-C(+0.74)-O(-0.37) O(-0.17)-C(+0.17)
可见内层电子的电离能与化学 环境有关, 称为化学位移.
M h M e
其中 e- 为发射出的光电子.
按能量守恒关系, 有
E(M)
h
E(M
)
1 2
mev
2
从而光电子动能为:
1 2
mev2
h
(E(M
)
E(M) )
h
I
其中 I E(M ) E(M)
Байду номын сангаас
为分子的电离能
通过测定光电子的动能和它们的数目, 可得到光电子按其动能或电离能 的分布强度, 即光电子能谱图.
3. 电离过程和Koopmans定理
光电子能谱
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2020/11/5
光电子能谱
• 引言
• 固体表面分析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
常用的表面分析方法有：
•X射线光电子能谱(XPS): 应用面广泛, 更适合于化学
•
领域的研究；
•俄歇电子能谱(AES): 主要用于物理方面的固体材料；
➢ 表面元素的定性分析 ➢ 表面元素的半定量分析 ➢ 表面元素的化学价态分析 ➢ 元素沿深度方向的分布分析 ➢ XPS伴峰分析技术
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光电子能谱
➢ 表面元素的定性分析
➢对于金属和半导体样品由于不会荷电，因此不用校准。但对 于绝缘样品，则必须进行校准。因为，当荷电较大时，会导致 结合能位置有较大的偏移，导致错误判断。 ➢激发出来的光电子依据激发轨道的名称进行标记。如从C原 子的1s轨道激发出来的光电子用C1s标记。 ➢由于X射线激发源的光子能量较高，可以同时激发出多个原 子轨道的光电子，因此在XPS谱图上会出现多组谱峰。 ➢由于相近原子序数的元素激发出的光电子的结合能有较大的 差异，因此相邻元素间的干扰作用很小。
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光电子能谱
催化剂表面的Co物种主要为Co2+，Co2+(2p3/2, 1/2) = 781.0 和 797.0 eV (B.E.) 的 Co物种可以分别指认为Co(OH)2 和/或Co-Mo-Ox (3 ≤ x ≤ 4)二元氧化物簇 的贡献；此外，780.0 和796.0 eV (B.E.)处的肩峰暗示催化剂表面存在少量
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光电子能谱
•方法原理-光电效应
XPS基于光电离作用，当一束光子辐照到样品表 面时，光子可以被样品中某一元素的原子轨道上的电子 所吸收，使得该电子脱离原子核的束缚，以一定的动能 从原子内部发射出来，变成自由的光电子，而原子本身 则变成一个激发态的离子。 在光电离过程中，固体物质 的结合能可以用下面的方程表示：
光电子能谱分析法基本原理
光电子能谱分析法基本原理光电子能谱分析法（Photoelectron Spectroscopy，简称PES）是一种常用的表征材料的表面化学成分和电子结构的技术手段。
它利用光电效应，通过测量电子从材料表面逸出时的动能来分析材料的电子结构。
PES的基本原理是根据光电效应，当光照射到金属或半导体表面时，光子与金属或半导体表面原子或分子发生相互作用，将部分能量转移给表面电子。
如果光子的能量大于电子的束缚能，则电子可以从材料表面逸出，形成光电子。
PES实验装置通常由以下几个部分组成：光源、光电样品、能量分辨光电子能谱仪和电子能量分析器。
光源通常选择高能紫外光源，因为紫外光具有较高的能量，能够满足电子逸出的需求。
光源产生的光经过透镜系统聚焦在样品表面。
样品由所要研究的物质构成，它可以是单晶、多晶、薄膜等形式。
光电样品的选择要根据具体的实验目的来确定。
能量分辨光电子能谱仪用于检测通过逸出的光电子信号，并将其转化为电信号。
电子能量分析器用于测量光电子的能量，并提供电子能谱。
在实验中，光子通过与表面原子或分子相互作用，将其能量转移给电子，使电子克服束缚势能逸出表面。
逸出电子的动能与初级光子的能量差有关：E_kin = hν - Φ其中，E_kin是逸出电子的动能，h是普朗克常数，ν是光子的频率，Φ是材料的逸出功。
逸出电子的动能与所施加的电场强度有关。
通过控制电场强度，可以调节电子的动能，进而对应不同的束缚能级进行分析。
PES实验中的光电子能谱提供了关于材料中电子的能量分布和态密度的丰富信息。
通过分析能谱图，可以确定材料的能带结构、元素组成、原子价态等重要参数。
例如，能谱图中的峰值对应不同能级的电子逸出，峰的位置和峰的强度可以揭示材料的能带结构和电子填充态。
同时，通过测定PES中的峰的位置和强度的变化，还可以研究材料的电子结构在外界条件变化下的响应和调控。
总结起来，光电子能谱分析法基于光电效应，通过测量光子与材料表面原子或分子的相互作用，进而测量逸出电子的动能，来研究材料的电子结构和化学成分。
光电子能谱实验报告
(3)为什么说 XPS 是一种表面分析方法?试再列举出 2 种表面分析方法， 并作比较。 俄歇电子能谱：用一定能量的电子(或光子,在 AES 中一般采用电子束)轰击 样品,使样品原子的内层电子电离,产生无辐射俄歇跃迁,发射俄歇电子。由于俄歇 电子特征能量只与样品中的原子种类有关,与激发能量无关,因此根据电子能谱中
俄歇峰位置所对应的俄歇电子能量,即“指纹”,就可以鉴定原子种类(样品表面存 在的元素组成),并在一定实验条件下,根据俄歇信号强度,确定原子含量,还可根据 俄歇峰能量位移和峰形变化,鉴别样品表面原子的化学态。 电子能量损失谱：一定能量的电子,入射到清洁或吸附气体的固体表面,除了 可以产生引起表面原子或晶格/原子的振动激发外,还可以激发能带间的电子跃迁, 包括电子自价带、内层能级和表面悬挂键能级的激发,以及表面和体相等离子体 激元的激发等。 入射电子因激发电子跃迁或表面原子的某一个振动模式而失去一 个特征能量 ,由此测量非弹性散射的电子能量,并结合电子能谱得到电子态信息 , 则可以得到近表面的能带结构信息与空带电子态的能谱。 如果入射电子引起表面 原子振动的激发 ,则结合原子吸附模型进行计算 , 并与实验数据对比,可得到表面 原子吸附位、吸附分子解离状况、束缚能、与吸附原子间横向相互作用的结构与 集合的信息。 (4) 解释 XPS 中的化学位移，如何测定样品的化学位移，确定化学态。 由于原子处于不同的化学环境而引起的结合能的位移（ Δ Eb）为化学位移， 如 X+Y=X+Y－。一般，元素获得额外电子时，化学价态为负，该元素的结合能 降低。反之，当该元素失去电子时，化学价为正，XPS 的结合能增加。化学位移 在 XPS 谱中表现为增加一个额外的峰值，通过计算偏移量，可以得到化学位移 的大小。
4 问题回答 (1) 比较 XPS 和 AES 原理和分析方法上主要的特征。 光电子能谱是使用 X 光作为入射光，把物质表面的原子激发成自由电子， 这些自由电子具有样品元素的信息，可以作为原子的标识，所以可以用 XPS 来
X射线光电子能谱的基本原理
X射线光电子能谱的基本原理X射线光电子能谱（X-ray photoelectron spectroscopy，简称XPS）是一种表面分析技术，通过照射样品表面的X射线，使样品表面的电子发生光电效应，从而获得各种元素的内层电子能级的结构和价态信息。
XPS技术被广泛应用于材料科学、化学、表面科学、物理学和生物医学等领域。
光电效应的基本原理光电效应是物理学中的一种重要现象，指当光线照射到金属表面时，能使金属中的电子逃脱并进入外部空间的现象。
光电效应的基本原理是光子与金属中的电子相互作用，使电子获得足够的能量，从而脱离金属原子，进入外部空间。
比较重要的参数是电子能量，由释放电子的金属原子确定。
这个电子的能量由激发它的光子的能量决定。
光电效应通常是一个二次过程，即一个光子与一个电子相互作用并将一个新的电子放在原子内的空穴中。
XPS的实验原理当X射线照射金属或化合物表面时，会引发光电子发射，可以在金属表面附近捕获这些光电子，用光电子能谱仪对其进行测量。
光电子能谱仪的核心部分是一个能够分辨光电子能量的光电子分光仪，比较常见的是球差能量分析仪。
XPS的实验过程包括：1.光源辐射产生X射线2.X射线与样品表面相互作用，使表面电子发生光电效应3.发射的光电子被光电子能谱仪探测器捕获，并记录每个光电子的能量和出射角度4.通过对光电子能谱的分析，可以得到样品表面元素的种类、价态、化学环境等信息。
XPS的应用XPS技术可以对表面材料的化学组成、化学键状态、电子结构等进行详细的分析和表征，具有以下特点：1.XPS技术精确度高，检测灵敏度高，可以检测到表面上非常小的化学成分。
2.XPS技术对于化学键的状态有很好的识别能力，可以判断出单键、双键、三键的存在。
3.XPS技术可以提供非常严谨的原子结构和电子排布方案，为材料、化学和生物界的研究提供了不可缺少的信息。
XPS技术可以广泛应用于材料制备和加工、表面科学、化学合成、纳米技术、环境科学、生命科学等领域。
电子能谱分析(1)
出功 sp代替试样逸出功s：
试样谱仪未连接 试样谱仪连接
电子能谱分析(1)
EKsp EK
EK + s = EKsp+ sp
EKsp
仪器的sp 是给定不变的, 可通过实测EKsp来求得试样的结合能Eb.
这些复杂现象的出现同体系的电子结构密切相关，它们在XPS谱图上 表现为除正常光电子主峰外，还会出现若干伴峰，使得谱图变得复杂。 解释谱图并由此判断各种可能的相互作用，获得体系的结构信息，这是 当前推动XPS发展的重要方面，也是实用光电子谱经常遇到的问题。
电子能谱分析(1)
1.1.8 非导电样品的荷电校正
因此，在实际应用中，人们要对材料和器件工作表面的宏 观性能做出正确的评价与理解，首先必须对各种条件下表面 的化学组成和化学状态进行定性和定量的测定和分析。
电子能谱分析(1)
• 固体表面状态，包括表面成分、结构、配位、化学键性、 能带、电子态等等，对材料的许多物性以及相关的应用和 理论都有非常重要的意义。
电子能谱分析(1)
2020/11/28
电子能谱分析(1)
固体表面的化学组成和体内不完全相同，甚至完全不同， 造成这种差别的原因主要有：
★ 表面原子（或离子）化学键部分断裂（悬挂键）， 能量状态与体内不同；
★ 外来物在表面的吸附、污染； ★ 表面的氧化、腐蚀和摩擦； ★ 人为加工的表面，如离子注入、钝化和各种涂层。
则可将其激发电离为二次电子，并以一定动能 EK(kinetic energy, EK) 逸出，可见信息产生是基于爱因斯坦光电效应。
电子能谱分析(1)
1.1.2 信息能量
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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。
5.实验测量：开始实验测量，记录不同能量的光电子的强度，同时记录各种实验参数。
6.数据处理：对实验得到的数据进行处理和分析，例如拟合能谱曲线、计算电子态密度等。
7.结果解释：根据实验结果，对样品的电子结构和性质进行解释和分析。
应用领域
光电子能谱在物理学、化学和材料科学等领域有广泛的应用。
以下是光电子能谱常见的应用领域：
1. 材料表征
光电子能谱可以提供材料的电子能带结构、能级分布、态
密度等信息，对于材料的物理性质和化学反应机制有重要意义。
通过分析光电子能谱，可以了解材料的电子输运性质、表面电子结构、界面反应等。
2. 分子光谱学
光电子能谱可用于研究分子的电子结构和电子转移过程。
通过测量分子光电子能谱，可以确定分子中各个轨道的能量和电荷分布等信息，从而了解分子的化学性质和反应动力学。
3. 表面科学
光电子能谱通常与表面科学研究中的其他表征技术（如扫
描隧道显微术、X射线光电子能谱等）相结合，可以研究材料和界面的表面结构、重构、吸附行为等，对于理解表面相关的物理和化学过程具有重要意义。
4. 能带工程
光电子能谱可用于研究半导体和其他材料的能带结构，并指导新材料的设计和制备。
能带工程的目标是通过调控材料的能带结构来实现特定的电子输运性质和光学性质，例如提高半导体器件的效率和光吸收率。
结论
光电子能谱是一种重要的材料表征技术，通过测量光激发出的电子动能和角分布，可以获得关于材料的电子能带结构和态密度等信息。
光电子能谱在物理学、化学和材料科学等领域有广泛的应用。
随着技术的发展，光电子能谱的分辨率和灵敏度不断提高，将为研究材料的电子结构和性质提供更加详细和准确的信息。