X射线光电子能谱(XPS)

X射线光电子能谱〔XPS〕一、X光电子能谱的根本原理二、X光电子能谱仪三、X光电子能谱的测量和分析光电子的产生—光电效应在高真空系统中，将X射线照射在物质上，使物质原子中不同能级的电子受到激发而发射出来。光电子发射过程光电子的产生〔入射光子与物质作用，光致电离产生光电子〕光电子的运输〔光电子自产生处运输到物质外表〕光电子的逸出〔克服外表势垒而发射到物质外的真空中去〕一、X光电子能谱的根本原理X射线与固体物质的相互作用电子能谱分类XPS–X射线光电子能谱X射线激发内壳层上的电子由于内壳层电子结构与元素对应，可定性或定量分析样品外表的成分和结构，还可以研究相应元素的化学键状态UPS–紫外光电子能谱紫外光子激发价带上的电子研究价带的电子结构及外表分析用于确定材料的功函数及费米能级的位置AES–俄歇电子能谱可定性或定量分析样品外表的成分和结构光电子的发射过程光电子能谱的标识光电子能谱中谱线的标识采用元素符号与光电子所在的原能级符号：如C1s、Si2p、Au4f7/2在具体分析X光电子能谱时，重点分析最强的一条谱线符号KL1L2L3M1M2M3M4M5N1能级1S2S2P1/22P3/23S3P1/23P3/22D3/23D5/24S符号N2N3N4N5N6N7O1O2O3O4能级4P1/24P3/24D3/24D5/24F5/24F7/25S5P1/25P3/25D3/2光电子能谱中的各种能量关系h=Ek+Eb+…..(1)V=-’…………(2)Ek+=Ek’+’…..(3)h=Ek’+Eb+’…(4)Eb=h-Ek’-’….(5)

’=4ev光电子能谱的形式光电子的产额(强度)随光电子动能的变化关系强度I与动能EK(I~EK)强度I与结合能Eb(I~Eb)；按扫描能量范围可分XPS全扫描谱：在仪器扫描能量范围内进行收谱，得到所有的谱线；用于样品定性分析。XPS高分辨谱：在全扫描谱的根底上，对某一特征谱线展开；用于样品定量分析CN薄膜样品的XPS全扫描谱CN样品中C1s的XPS高分辨谱SiC样品的XPS全扫描谱SiC样品中C1s和Si2p的XPS高分辨谱二、X光电子能谱仪X光电子能谱仪包括以下几个主要局部：超高真空系统〔10-7~10-9Pa〕单色激发光源〔X光源、紫外光源〕溅射离子枪源(Ar+)或电子源:离子清洗和深度刻蚀样品室电子能量分析器〔半球分析仪〕信息放大、记录和数据处理系统X射线光电子能谱仪方框图

1.激发源:X射线枪(MgK:1253.6eV;AlK:1486.6eV)紫外射线枪(He:21.21和40.8eV;Ne:16.85和26.9eV)电子枪(AES常用电子枪做激发源〕2.氩离子枪清洗样品外表：能量几百eV,离子流密度100A/cm2刻蚀样品：能量几千eV,离子流密度0-100A/cm2,进行成分深度分析3.样品室样品预处理系统、进样系统、样品室4.电子能量分析器电子能量分析器是电子能谱仪的核心局部，决定电子能谱的性能指标；能量分析器按场的形式分为二种：磁场型：分辨率很高，但结构复杂，磁屏蔽要求严格；目前已很少使用；静电场型：体积小、外磁场屏蔽简单、易于安装和调试；常用的静电场型能量分析器有：半球分析器：多用在XPS、UPS系统筒镜型分析器：多用在AES系统半球形能量分析系统单糟电子倍增半球能量分析器原理三糟电子倍增半球能量分析器三、X光电子能谱的测量和分析1.xps谱的测量仪器型号：KratosAXIS-HS能量分析器：球形分析器探测器：三槽电子倍增器激发源：MgK:1253.6eV,300W,0.12mm0.12mm

几何参数入射角65°，源与分析器的夹角65°发射角0°接受器与分析器夹角0°氩离子枪能量4000eV电流20mA入射角55

°X光电子能谱仪参数设定2、XPS谱数据分析方法

用Au4f7/2=84.0eV

谱线定标

扣除Shirley背底

峰的面积是扣除Shirley背底之后的面积

灵敏因子由标准的Kratos软件给出。

各组分的原子百分比可用Kratos软件计算得到

定性分析过程外表分析：获得样品外表的全扫描谱深度剖析获得样品外表的全扫描谱Ar离子溅射样品，溅射时间控制溅射深度，〔>2.5nm)收集全谱，如此反复，得到全谱与溅射时间的关系用测厚仪确定总的溅射深度，由总的溅射时间获得平均溅射速率。全谱与深度的关系标准数据库1.所有元素各内壳电子的结合能2.同种元素在不同化合物中的结合能，及各内壳层电子结合能差值定量分析过程外表分析：获得样品外表的全扫描谱获得各元素的高分辨谱由高分辨谱的面积和散射因子求的各元素的原子百分比或质量百分比深度剖析利用离子溅射，获得不同深度处各元素的高分辨谱由高分辨谱的面积和散射因子求的各元素的原子百分比或质量百分比所有测试和分析都由计算机及配套软件完成CN薄膜样品的XPS全扫描谱分析器Pass能量80eV,分析器分辨率1.5eV谱收集时间300s扫描次数3次C1s的高分辨率XPS谱Pass能量20eV分辨率0.7eV收集时间1200s扫描次数10次N1s的高分辨率XPS谱Pass能量20eV分辨率0.7eV收集时间1200s扫描次数10次O1s的高分辨率XPS谱Pass能量20eV分辨率0.7eV收集时间1200s扫描次数10次CN薄膜各组分的定量分析结果元素峰位〔eV)半高宽〔eV)面积灵敏因子原子百分比C1s286.13.246830.2549N1s399.53.139690.4246O1s532.13.46260.665CN薄膜结构分析CN薄膜结构分析结果288.2399.1C1s286.5N1s284.8400.9C1288.2和N1399.1eV-C3N4C2286.5和N2400.9eVCNx

C3284.8eVta-C

不同衬底偏压下制备的ta-C薄膜的xps谱Vb=-60V的样品的C1s谱的分解228.40.1eVsp2C285.20.1eVsp3C2.X光电子谱仪的定标和校准

结合能定标通常用Au4f7/2=84.0eV谱线定