角分辨光电能谱
第11课：表面能量分辨技术
Final state effect: : 1~10 eV
-the created core hole after photoionzation affects the energy
distribution of the emitted electrons in different ways.
•Relaxation effects（弛豫效应）
15
XPS spectra of oxidized Al
EB = hv – EP -φa 16
C KVV N KLL
O KLL
O 1s N 1s
Si2p Si2s C 1s
•各元素特征峰及强度：判断元素种类及含量 •特征峰的位移：元素的化学状态。
17
轨道电子结合能的近似计算方法
以气体原子为例，严格地说：
Sample
3
能量分辨和化学成分分辨
光电子能谱PES (Photo-Electron Emission Spectroscopy) 电子能量损失谱EELS (Electron Energy Loss Spectroscopy)
光电子能谱 Photoelectron Emission Spectroscopy
EB = hv – EP -φa
Questions: •如何在PES谱图上标注费米能级的位置？ •如何校准分析器的功函数？ •如何用PES测量样品的功函数？
0 = hv – EP -φa EB(标样) = hv – EP -φa
14
二次电子带边位置
Seah给出的结合能标定值
Al K
Mg K
Cu 3p
化学成分分辨：X射线光电子能谱(XPS) X-ray photoelectron spectroscopy 能量分辨：紫外光光电子能谱(UPS)
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
第四章 XPS光电子能谱
X射线光电子能谱分析
电子能谱分析是一种研究物质表层元素组成与离子状态的表面分析技术。 其基本原理是利用单色射线照射样品，使样品中原子或者分子的电子受激 发射，然后测量这些电子的能量分布。 通过与已知元素的原子或者离子的不同壳层的电子的能量相比较，就可 以确定未知样品中原子或者离子的组成和状态。
电子 X射线
dI = I 0 dt / ( EK )
I (t ) =I 0 exp[ t / ( E )]
从左式中知道，当厚度t达到 （EK）的4倍时，强度衰减到原 来的2％以下；当t为（EK）的3 倍时，衰减到原来的5％不到。 k般定义3 （EK）为XPS的信息深 度。
这说明，能够逃离固体表面的光电子来源于表层有限厚度范围之内。实际 上， （EK）非常小。对于金属材料，约为0.5~3 nm左右；无机材料为2~4 nm左右；有机高聚物为4~10 nm左右。所以，XPS是一种分析深度很浅的 表面分析技术。
X射线光电子能谱仪
XPS图谱
右图所示的是XPS 全谱。它给出的各 个元素的各个轨道 的结合能是进行定 性分析的依据。谱 图的横坐标是电子 的结合能（eV）， 纵坐标是光电子线 的相对强度 （cps）。另外， 在图谱中还有一些 俄歇线。
X射线光电子能谱分析的基本原理
5、XPS信息深度： 在XPS分析中，一般用能量较低的软X射线激发光电子（如：Al和Mg的 线）。虽然软X射线的能量不高，但是仍然可以穿透10nm厚的固体表层， 并引起那里的原子轨道上的电子光电离。
dI = I 0 dt / ( EK )
（EK）是一个常数，与电子的动能有关，称为光电子非弹性散射自由程或 者电子逸出深度。有时也被称为非弹性散射“平均自由程”。如果t代表垂直 固体表面并指向固体外部的方向，则（EK）就是“平均逸出深度”。这样， 光电子垂直于固体表面发射，并经历距离t后的强度为：
高温超导现象的理论与实验
高温超导现象的理论与实验介绍超导现象在物理学领域一直是一个引人注目的课题。
传统上，超导材料需要在极低温度下才能展现出超导性质。
然而，自从1986年被发现以来，高温超导现象引发了科学界的广泛兴趣。
本文将探讨高温超导现象的理论基础和实验研究。
理论基础高温超导的理论基础可以追溯到20世纪50年代的BCS理论。
BCS理论认为，超导材料中存在一对由电子组成的库伯对。
在低温下，库伯对能够以无阻碍的方式通过材料中的晶格，形成一种运动无阻力的电子流。
然而，这一理论无法解释高温超导现象。
在1986年，Bednorz和Müller发现了一种新型铜基超导材料(La-Ba-Cu-O)，其临界温度高达35K。
这一发现引发了高温超导领域的研究热潮。
随后的研究表明，高温超导现象与电子之间的局域关联和真空中的共振效应有关。
在1990年代初，一些研究人员提出了一种被称为RVB理论的模型。
这一模型认为，高温超导现象是由电子间的强关联效应引起的。
根据RVB理论，高温超导材料中的电子会形成一种特殊的量子态，被称为强关联系态（RVB态），这种态能够解释高温超导的一些性质。
实验研究高温超导领域的实验研究主要集中在材料的制备和特性的研究上。
科学家们通过改变材料的化学组成和结构，寻找具有高超导转变温度的材料。
除了寻找新材料，研究人员还对已知的高温超导材料进行深入研究。
他们使用各种实验技术来揭示高温超导材料的电子结构、自旋结构和电磁性质。
通过这些实验研究，科学家们希望能够揭示高温超导现象的机制。
其中一种关键实验技术是角分辨光电子能谱（ARPES）。
这种技术可以提供有关高温超导材料电子能级和能带结构的信息。
通过ARPES实验，研究人员发现了一些与高温超导现象相关的电子关联效应。
高温超导材料的磁性质也是研究的重点。
为了探究超导态和磁性态之间的关系，科学家们使用了磁化率测量、磁共振和中子散射等技术。
这些实验帮助科学家们了解高温超导材料中电子和自旋之间的相互作用。
强关联电子体系的理论与实验研究
强关联电子体系的理论与实验研究强关联电子体系是固体物理学的一个重要研究领域，它涉及到电子间的强相互作用，无论是在理论还是实验上都具有巨大的挑战和潜力。
本文将介绍关于强关联电子体系的一些基础理论以及近年来的实验研究成果。
一、强关联电子体系的基础理论强关联电子体系的研究基于量子力学和凝聚态物理学的原理，其中最重要的理论框架之一是密度泛函理论（density functional theory, DFT）。
DFT是一种基于电子态密度的理论方法，可用于描述电子系统的基态性质。
对于强关联电子体系，传统的DFT方法通常会失效，因此研究者们发展了一系列修正DFT方法，如Gutzwiller近似、自旋密度泛函理论等，以更好地描述强关联效应。
另一个重要的理论工具是格林函数理论。
格林函数描述了电子的传播和相互作用过程，能够提供关于体系的许多重要信息，如能谱分布、输运性质等。
通过对格林函数的计算和分析，研究者们可以获得强关联电子体系的详细信息，并进一步探索其中的物理机制。
二、强关联电子体系的实验研究近年来，随着实验技术的不断发展，研究者们开始在实验室中探索强关联电子体系的性质和行为。
其中一种常用的实验手段是高分辨率角分辨光电子能谱（ARPES）。
ARPES技术可通过测量材料表面或界面的光电子能谱，获取电子的动量和能谱信息，从而揭示强关联电子体系的能带结构、费米面拓扑等重要特征。
除了ARPES，磁力显微镜也是研究强关联电子体系的重要工具之一。
磁力显微镜可用来直接观察和操纵材料中的磁性行为，对于研究强关联电子体系中的自旋和磁性有着关键作用。
通过在低温下对材料进行磁力显微观察，可以直观地看到自旋序、磁畴结构等现象，并进一步研究强关联效应对磁性行为的影响。
此外，超导体的研究也是研究强关联电子体系的热点之一。
超导体是指在低温下表现出零电阻和迈斯纳效应的材料。
在强关联电子体系中，超导性通常与强电子相关效应密切相关。
通过研究不同材料的超导性质，研究者们可以深入了解超导机制并探索强关联电子体系的性质。
电子材料的能带结构研究
电子材料的能带结构研究在现代科技的快速发展中，电子材料扮演着至关重要的角色。
从我们日常使用的智能手机、电脑，到各种先进的电子设备和系统，电子材料的性能直接影响着它们的功能和效率。
而要深入理解电子材料的特性，就不得不研究其能带结构。
什么是能带结构呢？简单来说，能带结构就是描述晶体中电子能量状态的一种方式。
晶体中的原子按照一定的规律排列，电子在这些原子形成的周期性势场中运动。
由于电子的波动性，它们的能量不再是连续的，而是形成了一系列允许和禁止的能量区域，这就是能带。
电子材料的能带结构决定了它的导电性、光学性质、热学性质等诸多关键特性。
比如，金属的能带结构特点是存在部分填充的导带，电子可以在导带中自由移动，这使得金属具有良好的导电性。
而对于半导体，其能带结构中存在一个能隙，也就是禁带，导带中的电子需要获得足够的能量才能跨越禁带进入导带，从而实现导电。
绝缘体的禁带宽度较大，通常情况下电子很难跨越禁带，因此导电性很差。
研究电子材料的能带结构，对于开发新型电子材料和优化现有材料的性能具有重要意义。
通过精确测量和计算材料的能带结构，我们可以预测材料的电学、光学等性质，为材料的设计和应用提供理论指导。
在实验研究方面，常用的方法包括光电子能谱、角分辨光电子能谱等。
光电子能谱可以直接测量材料中电子的能量分布，从而获得有关能带结构的信息。
角分辨光电子能谱则能够进一步提供电子能量和动量的关系，更详细地揭示能带结构的特征。
理论计算也是研究能带结构的重要手段。
基于量子力学原理的第一性原理计算方法，在不依赖实验参数的情况下，可以预测材料的能带结构。
密度泛函理论是其中应用广泛的一种方法，它通过求解薛定谔方程来计算电子的能量状态。
随着科技的不断进步，研究电子材料的能带结构也面临着新的挑战和机遇。
一方面，对于复杂材料和低维材料的能带结构研究还需要进一步深入。
例如，二维材料由于其独特的结构和性质，其能带结构与传统的三维材料有很大的不同，需要开发新的理论和实验方法来进行研究。
第五章光电子能谱分析
232.2eV MoO2
强度
233.9eV 235.6eV
结合能
第五章
光电子能谱分析
二、固体表面相的研究
1、表面污染分析
由于对各个元素在XPS中都会有各自的特征 光谱，如果表面存在C、O或其它污染物质， 会在所分析的物质XPS光谱中显示出来，加 上XPS表面灵敏性，就可以对表面清洁程度 有个大致的了解； 如图是Zr样品的XPS图谱，可以看出表面存 在C、O、Ar等杂质污染。
例如：I和Cl 见图5－13
第五章
光电子能谱分析
第三节 光电子能谱实验技术
一、光电子能谱仪 有三部分构成：激发源、能量分析器、电子监测器。
K 1和K 2 能量差小） 1、激发源：特征X射线（要求线宽小，
原因：电子能谱分析的分辨率由3个因素决定。
E E E E
2 2 X 2 样
第五章
光电子能谱分析
第五章
光电子能谱分析
俄歇电子产额
俄歇电子和X荧光产生几率是互相关联和竞 争的，对于K型跃迁：
K K 1 K — 荧光产额， K — 俄歇电子产额
俄歇电子产额随原子序数的变化如图。
对于Z14的元素，采用KLL电子来鉴定； 对于Z>14的元素，采用LMM电子较合适； 对于Z42的元素，选用MNN和MNO电子为佳。
分子及固体的电子态 成份、原子及电子态 原子态 原子态 结构 原子及电子态、结构 原子态 成份
I e
角分辨光电子谱 光子诱导脱附 俄歇电子能谱
e－电子 －光子
I－离子 见P273 表5-1
第五章
光电子能谱分析
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角分辨光电能谱
角分辨光电能谱（Angle-Resolved Photoemission Spectrosco py，简称ARPES）是一种非常重要的实验手段，用于研究固体材料的电子结构和性质。
在本文中，我们将介绍角分辨光电能谱的一些关键方面，包括光子能量分析、角分辨率定义、能谱分析技术、X射线光电子能谱、紫外光电子能谱、红外光电子能谱、拉曼光谱学、荧光光谱学和原子力显微镜等方面的内容。
一、光子能量分析
在角分辨光电能谱实验中，光子能量是一个非常重要的参数。
光子能量决定了光电子的动能，从而影响光电子的发射角度和能量。
因此，精确测量和控制光子能量是实验成功的关键。
常用的方法是通过单色器或滤光片来选择特定波长的光子，从而控制光子的能量。
二、角分辨率定义
角分辨率是角分辨光电能谱实验中的一个重要参数。
它表示实验能够区分不同角度的光电子的能力。
角分辨率越高，实验结果越精确。
在实验中，角分辨率通常由探测器的设计、实验装置的稳定性和测量系统的精度等因素决定。
三、能谱分析技术
能谱分析是角分辨光电能谱实验的核心技术之一。
通过测量光电子的能量和发射角度，可以获得固体材料的电子结构和性质信息。
在实验中，能谱分析通常需要高灵敏度和高精度的探测器以及精确的测量系统。
常用的探测器包括电离室、多丝室和微通道板等。
四、X射线光电子能谱
X射线光电子能谱是一种利用X射线激发光电子的实验方法。
X 射线具有高能量和高穿透能力，可以用于研究原子尺度的材料结构和性质。
在实验中，X射线光电子能谱通常需要高能量和高精度的X射线源和探测器，以获得高分辨率和高灵敏度的能谱数据。
五、紫外光电子能谱
紫外光电子能谱是一种利用紫外光的实验方法。
紫外光具有较短的波长和较高的能量，可以用于研究较轻元素的价电子结构和性质。
在实验中，紫外光电子能谱通常需要高能量和高精度的紫外光源和探测器，以获得高分辨率和高灵敏度的能谱数据。
六、红外光电子能谱
红外光电子能谱是一种利用红外光的实验方法。
红外光具有较长的波长和较低的能量，可以用于研究重元素的价电子结构和性质。
在实验中，红外光电子能谱通常需要高能量和高精度的红外光源和探测器，以获得高分辨率和高灵敏度的能谱数据。
七、拉曼光谱学
拉曼光谱学是一种利用拉曼散射现象的实验方法。
当激光束照射到样品上时，会激发拉曼散射效应，产生散射光谱。
通过对拉曼光谱的分析，可以获得分子结构和化学信息等重要信息。
在实验中，拉曼光谱通常需要高能量和高精度的激光源和光谱仪等设备。
八、荧光光谱学
荧光光谱学是一种利用荧光现象的实验方法。
当样品受到特定波
长的光线照射时，会发出荧光光谱。
通过对荧光光谱的分析，可以获得分子结构和化学信息等重要信息。
在实验中，荧光光谱通常需要高精度和高稳定性的光谱仪等设备。
九、原子力显微镜
原子力显微镜是一种利用原子间相互作用力的实验方法。
通过在样品表面扫描微型力敏元件，可以测量出样品表面上的原子或分子的形貌和力学性质等信息。
在实验中，原子力显微镜通常需要高精度和高稳定性的控制系统和检测系统等设备。