實驗報告電子能譜實驗實驗報告一、實驗名稱電子能譜實驗二、實驗目的（1）了解X光電子能譜（XPS）測量原理、儀器工作結構及應用；（2）通過對選定的樣品實驗，初步掌握XPS實驗方法及譜圖分析。三、實驗原理在現代材料分析中，表面問題是材料研究中很重要的部分。尤其是在微型材料、超薄材料、薄膜材料和材料的表面處理等，都離不開表面科學。而X光電子能譜（簡稱XPS）則是一項重要的表面分析方法。一定能量的X光作用到樣品上，將樣品表面原子中的不同能級的電子激發成為自由電子，這些電子帶有樣品表面信息，具有特征能量，研究這類電子的能量分布，即為X光電子能譜分析。（1）光電發射在具體介紹XPS原理時，先介紹光電發射效應。光電發射是指，在軌道上運動的電子收到入射的光子的激發而由發射出去成為自由電子的過程。對于固體樣品光電發射的能量關系如下：氣=hv-氣，一。（固體）（1）其中氣為相對于費米能級的結合能，hv為光子的能量，氣,為光電子的動能，氣.為樣品的功函數。光電發射示意圖如下：Eb2O2sEbiOls氧的Eb2O2s氧的2s軌道電子發射示意圖氧的1s軌道電子發射示意圖原子能級結合能E對于原子來說是特征的，具有特異性，可以用它來標識原子及原子能級。由樣品發射的光電子最終將會被探測器俘獲，對于探測器有如下能量關系:

Eb=hv-［一。滬（探測器）（2）式中，4歸為探測器的功函數。如下圖所示:XPS測量原理示意圖（二）化學位移XPS在進行定量分析的時候，有一項很重要的應用就是化學態分析，其中包括化學位移和化學能移。化學位移是指由于原子處于不同的化學環境而引起的結合能的位移（AEb）。如化合過程X+Y=X+Y-，X、Y因電子的轉移引起結合能的變化。相應的電子能譜也會發生改變，通過這種方法，還可以區別同一類原子處于何種能態，這為表面分析提供了很大的便利。（三）X光電子能譜儀原理示意圖如下圖所示，由X射線源發出的X射線入射到樣品表面，激發出自由光電子。光電子經過半球形能量分析器后被探測器吸收。探測器將光電子的所攜帶的信息轉化為電信號，由示波器收集并在電腦中顯示出來。X光電子能譜儀結構示意圖具體的構造方框圖如下:X光電子能譜儀的構造方框圖光電發射過程、能量關系、化學位移等。（四）X光電子能譜儀的特點X光電子能譜儀采用的是X光作為入射光源，是一種對樣品具有非破壞性的分析手段。能進行化學態分析，并且有明確的化學位移。同時，它還具有表面靈敏度高的特點，對樣品要求不高，有機物、無機物，樣品導電、不導電都可以進行測量分析。四、實驗步驟（1）制備樣品并放入靶臺（實驗采用Al靶，X光能量為1486.6eV）；（2）進行寬城掃描；（3）對特定的能譜區域進行窄程掃描；（4）報告測量結果；（5）標定譜峰能量位置，并進行元素標定。五、實驗結果及分析（1）譜峰識別進行寬程掃描之后，得到一系列的譜峰。通過查詢Al的1＜以X射線的元素結合能，可以標定各譜峰，見下表。譜峰位置（eV）284.56532.0899.1999.89101.85電子所屬元素及軌道C1sO1sSi2p3Si2p1SiScanB3（2）化合物和含量分析由圖中具體的譜峰面積可以進行化合物組分和含量的分析，見下表。元素譜峰面積物質狀態含量總含量C1s76020.32化合態18.03%—O1s218180.72化合態51.75%—Si2p357880.19單質硅13.73%Si2p129528.52化合態7.00%30.22%SiScanB339969.70化合態9.48%由此可知，樣品為單質硅，但是表面被污染，污染物有O和C。（3）對Si的譜峰進行了窄程掃描，可以認為地進行分波。所分波的總數為四，有峰強高度依次為Si2p3、Si2p1、SiScanB3、背景。六、習題（1）比較XPS和AES原理和分析方法上主要的特征。答：1.XPS通過X射線照射樣品，將樣品表面原子中不同能級的電子激發成自由電子。這些電子帶有樣品表面信息，具有特征能量，并且動能與激發源的能量有關。而AES的入射源為電子。入射的電子和樣品作用，可以激發出原子內層的電子。外層電子向內層躍遷過程中所釋放的能量又使核外另一個電子激發成為自由電子，這種自由電子就是俄歇電子。而俄歇電子的能量分布譜即為AES。與XPS的很大不同是，俄歇電子的動能與入射源能量無關。XPS旨在研究這類電子的能量分布，從而進行元素種類的標定，元素含量的定量測量，原子化學態的分析，并能夠分析表面狀態和薄膜厚度。AES分為兩種譜一一積分譜和微分譜。與XPS相似，通過對圖譜進行標定和定量分析，能夠標定元素種類和計算元素的含量，并且能夠分析化學態。另外，XPS和AES所給出的都是樣品表面的二維信息。（2）在XPS實驗中，怎樣區分譜圖上的光電子峰和俄歇峰。在XPS實驗中，通過切換Mg靶和Al靶能夠對光電子峰和俄歇峰進行區分。（3）用Al七（hv=1486.6eV）和Mg七（hv=1253.6eV）激發Cu2p的光電子動能相同嗎？Cu2p/和Cu2p說的結合能分別約為933eV和953eV，請計算功能值。信號電子（動能大于200eV）的非彈性散射平均自由程入滿足經驗公式人=0.1*E./[o（ln氣+b）（單位nm），其中Ek為逸出光電子的動能（以eV為單位），取常數o=10,b=-2.3。定義逸出深度d=3人，請計算上述Cu2p光電子的逸出深度，并作比較。答：1.因為光源能量不同，因此各自激發的Cu2p光電子的動能不同。2.由于題中未給定Cu樣品的功函數，因此認為是指對單原子進行求解，即功函數為0.根據公式可以Eb=加—氣，—、計算得出:入射光源AlKaMgKa軌道Cu2p堆553.6eV320.6eV533.6eV300.6eV對于Cu2p軌道，光電子的逸出深度由給定的公式計算出結果如下表:入射光源AlKaMgKa軌道Cu2P堆4.135nm2.772nmCu2Pi24.023nm2.648nm從中可知，隨著入射光源能量的減小，光電子的逸出深度迅速衰減。（4）為什么說XPS是一種表面分析方法？試列舉出2種表面分析方法，并作比較。答：1.如（3）中所計算的逸出深度，只有幾個納米的大小，這意味著大于逸出深度的電子無法逃出樣品而被儀器探測到。因此它是一種表面分析技術。XPS所給出的信息都是關于表面原子的信息。2.其他表面分析方法有AES（已在題目（1）中進行了比較）。STM也是一種廣泛的應用的表面分析方法。通過量子遂穿原理，STM儀器利用加有偏壓的針尖采集樣品表面的信息。STM可以非常直觀地觀察樣品表面的原子排布情況，這是和XPS和AE