同步辐射应用基础-光电子能谱_部分2
《同步辐射应用基础》课件
本课程将介绍同步辐射的基本知识和应用。同步辐射是一种特殊的电磁辐射， 被广泛应用于材料科学、生命科学、化学以及环境科学等领域。
同步辐射的概念
定义
同步辐射是高速电子经过弯 曲磁铁时所产生的特殊的电 磁辐射。
形象描述
可以想象成一束高度聚焦的 电子光束，类似于电子显微 镜的工作原理。
2
扫描透射电子显微镜(STEM)
同步辐射可用于STEM样品中小到2nm的纳米颗粒的表征。
3
束缚态谱(BIND)
可以通过同步辐射X射线获取材料中不同原子的化学键能。
结论和展望
本次课程中我们讲述了同步辐射的基本知识、应用与实验技术，详细描述了同步辐射在材料科学 中的重要应用实例。同步辐射的应用前景广阔，会在更多的领域和学科中得到应用，推动科学技 术的发展。
同步辐射的应用领域
材料科学
同步辐射可以提供高分辨率的晶体结构、 电子结构和表面形貌等信息。
化学
同步辐射可以用于表征化学反应、反应过 中的物种和反应动力学等方面的研究。
生命科学
同步辐射可以观测到生命分子在不同状态 下的结构和功能变化，对于药物研发有重 要作用。
环境科学
同步辐射可以用于环境污染物的分析、污 染源的追溯和基础环境研究等方面。
加速器
实验站会提供一台大型的粒子加速器，用于产生高速载流子流。
光束线
实验站有多条光束线，用于将同步辐射光束聚集、选择并传输到实验区域。
探测器
同步辐射实验的数据信噪比较低，需要高灵敏度探测器进行数据采集。
同步辐射在材料科学中的应用实例
1
X光光电子谱(XPS)
可以通过同步辐射X射线将材料表面原子的能级激发到离子态，从而观察其化学 状态。
同步辐射吸收谱学基础
3）Synthesis, Characterization, and Computation of Catalysts at the Center for Atomic-Level Catalyst Design，J. Phys. Chem. C 2014, 118, 20043−20069
( E) ( E) 0 ( E) / 0 ( E0 )
E空间 K空间 R空间
K 2m（E - E 0） / E-k换公式 这里，E0是吸收边的能量，m是电子的质量，K为波矢量 =2/。 Fourier变换公式
1 ( R ) FT( ( k)) 2
i2kR ( k ） w ( k ) e dk 0
•
(a) X-ray absorption coefficient (E)/ (where is the sample density) as a function of the incident X-ray energy E, in the 1–30 keV range, for a selection of elementscommonly found in coordination compounds ((E)/ can be approximately expressed as: (E)/∼ Z4/AE3, where Z the atomic number and A the atomic mass of the elementof interest). In particular, (E)/ is reported for three “light” atoms, i.e. H (Z = 1), O (Z = 8), and S (Z = 16) and three metals belonging to the 1st, 2nd and 3rd row of the transitionmetal series, i.e. Fe (Z = 26), Ru (Z = 44), and Os (Z = 76). The X-ray absorption edges encountered in the reported range are indicated for each element. Data obtained from NIST:/PhysRefData/XrayMassCoef/tab3.html. Note the logarithmic scale of the ordinate axis. (b) Schematic representation of a typical experimental setup forXAS measurements: I0, I1, and I2are ionization chambers, If indicates a fluorescence detector. (c) Molecular model of the complex [Ru(bpy)2(AP)2]2+(bpy = 2-2-bipyridyne;AP = 4-amminopyridine). Atom colour code: Ru, pink; N, blue; C, grey; H, white. (d) Ru K-edge XAS spectrum (black thick line) for the [Ru(bpy)2(AP)2]2+complex shown in part(c), in water solution (10 mM concentration), collected in transmission mode at the BM29 beamline of the European Synchrotron Radiation Facility (ESRF, Grenoble, France)[396]. In the figure are also reported: pre-edge (blue) and post-edge (green) lines (obtained by fitting the experimental data with two polynomial functions in suitable pre-and post-edge energy intervals) required to estimate the edge-jump (E0) for normalization of the raw spectrum; atomic-like background 0(E) (pink solid line), employedin the extraction of the EXAFS oscillations, see part (e). (e) Normalized XAS signal for [Ru(bpy)2(AP)2]2+obtained from the raw data reported in part (d). The inset shows theextracted k2-weighted k2(k) EXAFS function obtained by subtracting the absorption signal expected for an isolated atom, labelled as 0(E) in part (d), and converting the E-values in k-values using the expression k = (1/h ) [2me(E − E0)]1/2. (f) R-space EXAFS spectra obtained by calculating the FT of the k2(k) spectrum reported in the inset ofpart (e) in the 2–16˚A−1 k-range; both modulus (top part) and imaginary part (bottom part) of the FT are reported. Unpublished figure, reporting data published in Ref. [396].
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
光电子学在同步辐射中的应用
光电子学在同步辐射中的应用同步辐射是一种强大的工具，在科学研究和工业生产中得到了广泛的应用。
这种辐射形式可以利用电子加速器或储存环产生。
这种辐射发射出的光束具有很高的亮度和较窄的谱线宽度，因此它能够提供高质量的X射线、紫外线和红外线，这些优秀的性能使得同步辐射在多个领域发挥着重要的作用。
同时，光电子学在同步辐射实验中也是至关重要的，这篇文章将重点探讨光电子学在同步辐射实验中的应用。
一、同步辐射实验中的光电子学基础同步辐射实验主要利用光电效应，探测和分析材料中的表面和界面状态以及电荷传输过程。
光电子学是一种研究光与物质相互作用的科学。
光电效应是光与物质相互作用的基本过程之一，它是将光能转化为电能的过程。
光子被物质吸收后，将能量转移给其束缚电子，使得其束缚能减小。
当其束缚能小于光子能量时，产生电子转移出物质，成为自由电子，这就是光电效应。
光电反应一般都是非弹性过程，即光子能量被传递给物质中的电子。
利用光电子学，可以得到关于物质能带、电建、表面态、界面态、电荷分布等方面的信息。
二、光电子学在同步辐射实验中的应用1. 电子能谱学同步辐射实验中，利用电子能谱仪可以得到材料的全息图，通过仔细分析样品表面和界面的电子能谱，可以探测材料的能带结构和电子状态密度。
由于同步辐射谱线宽度很窄，分辨率非常高，因此电子能谱学在同步辐射实验中应用广泛，包括硬X射线光电子能谱（HAXPES），软X射线光电子能谱（SXPES），以及角度分辨能谱学等。
2. 能量分散X射线光电子显微镜能量分散X射线光电子显微镜是一种高分辨率的表面分析工具，其测试精度可以达到纳米级别。
这种显微镜通过扫描电子束和紫外线激励，观测样品表面的光电发射情况，并通过分析发射电子的能量和角度来确定发射源，从而确定样本表面的化学成分。
同时，能量分散X射线光电子显微镜还可用来表征材料的电荷分布和原子运动学，因此在材料科学中有着广泛的应用。
3. 能量分辨和动态光电子研究随着同步辐射实验技术的不断发展，能量分辨和动态光电子研究已经成为研究材料中元激发态行为的重要工具。
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：
电子结构与电子光谱实验技术中的同步辐射与角分辨光电子能谱
电子结构与电子光谱实验技术中的同步辐射与角分辨光电子能谱导语：随着科学技术的快速发展，人们对于物质内部结构的研究需求也日益增长。
电子结构和电子光谱实验技术作为一种非常有效的研究方法，在材料科学、化学、凝聚态物理等领域发挥着重要作用。
本文将重点介绍同步辐射和角分辨光电子能谱这两种实验技术，探讨它们在揭示物质电子结构中的应用和意义。
一、同步辐射技术同步辐射是一种高亮度和高相干度的辐射。
它通过将电子束通过高强度的磁场加速，使电子在强磁场中做匀速旋转，并释放出电磁辐射。
不同于传统的X射线辐射，同步辐射具有窄谱宽、高亮度、强度高、相干度好等特点，在材料科学中具有广泛应用。
同步辐射的应用广泛，其中之一就是角分辨光电子能谱技术。
二、角分辨光电子能谱技术角分辨光电子能谱技术是一种研究物质电子结构的高精度技术。
它通过照射样品表面，测量光电子飞出方向和速度，从而得到电子在样品内部能量分布的信息。
角分辨光电子能谱技术是同步辐射技术的重要应用之一。
通过角分辨光电子能谱技术，我们可以获得很多关于材料电子结构的信息。
例如，通过调节入射光的能量，我们可以得到不同能量下电子的信息，形成能谱。
进一步分析能谱数据，可以得到材料的表面化学元素、电子能级分布、价带结构等信息，从而揭示出材料的电子性质。
三、同步辐射与角分辨光电子能谱的应用案例同步辐射和角分辨光电子能谱技术在材料相关领域具有广泛应用。
以催化剂研究为例，同步辐射可以提供高亮度的X射线辐射，用于表征催化剂的表面结构、反应中间体的形成与转变等。
角分辨光电子能谱技术则可以给出表征材料电子结构的详细信息，如费米能级、价带、能带等，这对于催化剂的设计和理解反应机理具有重要意义。
此外，同步辐射和角分辨光电子能谱技术还可应用于凝聚态物理研究、超导材料研究、光电材料研究等方面。
它们的应用不仅仅局限于材料科学领域，还可以推广到生物医学、环境科学等领域。
四、结语同步辐射和角分辨光电子能谱技术的应用对于揭示物质内部结构和电子性质具有重要意义。
第五章-X射线光电子能谱
§5.2 光电子能谱实验技术
二、XPS的测定 (一) 样品的制备与安装 一般情况下，尤其在分析样品自然表面时，无须制备，不 然在任何制备方法均易改变样品表面组分。但分析前，样品 表面必须去除易挥发的污染物。
§5.2 光电子能谱实验技术
(二) 仪器校正 ① 常用纯度大于99.8%的Cu标样来校正谱仪的能量标尺； ② 采用窄扫描(≤20 eV)以及高分辨率(分析器的通过能量 约为20 eV)的收谱方式。
Ni-P合金中P的2p XPS谱
P2O5 中 的 磷
a 清洁表面； b 1barO2、403K氧化1小时
§5.3 光电子能谱的应用
一、元素及其化学态的定性分析 元素(及其化学状态)的定性分析：以实测光电子谱图与标准 谱图相对照，根据元素特征峰位置(结合能及其化学位移)确定 固态样品表面存在哪些元素及这些元素存在于何种化合物中。 常用的Perkin-Elmer公司的XPS手册载有从H开始的各种元 素的标准谱图(以Al Kα和Mg Kα为激发源)，谱图中有光电子谱 峰与俄歇谱峰位置并附有化学位移数据。
§5.1 光电子能谱分析的基本原理
(三)结合能位移、化学位移 结合能位移: 原子内壳层电子的结合能与核内电荷和核外电荷 的分布有关，任何引起电荷分布发生变化的因素都会使原子内 层电子的结合能产生变化。在XPS谱上可以看到谱峰的位移，这 种现象称为电子结合能位移。 化学位移：由于原子处于不同的化学环境而引起的结合能位 移。化学位移可正可负。 化学位移量与价电子所处氧化态的程度和数目有关，氧 化态愈高，则化学位移愈大。
§5.1 光电子能谱分析的基本原理
XPS的优点： ① 获得丰富的化学信息， ② 对样品的损伤最轻微的， ③ 定量也是最好的。 缺点： 照射面积大，不适于微区分析（100μm直径小面积微区）。
《X射线光电子能谱》课件
3 3. 问题探讨和建议
鼓励听众思考和讨论涉及 X射线光电子能谱的问题， 并提供相关研究建议。
3
3. 统计研究实验中的应用，以及如何进行误差分析和数据可靠性评 估。
第四部分：X射线光电子能谱的应用案例
1. 反应机理和反应动力学 的研究
探索X射线光电子能谱在研究化 学反应机理和反应动力学中的应 用案例。
2. 材料表征和界面分析
展示X射线光电子能谱在材料表 征和界面分析中的实际应用，如 薄膜表面分析和纳米材料研究。
3. 化学成分分析
说明X射线光电子能谱在化学成 分分析中的优势，如表面元素含 量检测和化学状态表征。
第五部分：X射线光电子能谱的研究进 展和展望
1 1. 新技术和新方法的发展
预测X射线光电子能谱领域未来的发展方向，包括新的仪器技术和数据处理方法。
2 2. 应用领域的拓展
展望X射线光电子能谱在新的应用领域，如生物医学、能源材料和环境科学等方面的发展。
2 2. 光电效应原理
深入解释X射线光电子能谱的定义和原理，以 及如何通过光电效应获得材料表面化学信息。
讲解光电效应的基本概念和原理，以及光电 子发射的条件和限制。
3 3. 能量分辨率和解析度的概念
4 4. 应用领域
介绍X射线光电子能谱的能量分辨率和解析度 是如何影响数据质量和实验结果的。
探讨X射线光电子能谱在材料科学、化学分析、 表面物理和界面研究等领域的广泛应用。
3 3. 未来的发展方向
探讨X射线光电子能谱可能的未来发展方向，如高分辨率、原位研究和多模态分析等。
总结
1 1. X射线光电子能谱
的优势和特点
总结X射线光电子能谱作 为表面分析技术的独特优 势，如高灵敏度、非破坏 性等特点。