XPS的原理

X射线光电子谱(XPS)X-rayPhotoelectronSpectroscopyXPS引言X射线光电子谱是重要的表面分析技术之一。它不仅能探测表面的化学组成，而且可以确定各元素的化学状态，因此，在化学、材料科学及表面科学中得以广泛地应用。X射线光电子能谱是瑞典Uppsala大学K.Siegbahn及其同事经过近20年的潜心研究而建立的一种分析方法。他们发现了内层电子结合能的位移现象，解决了电子能量分析等技术问题，测定了元素周期表中各元素轨道结合能，并成功地应用于许多实际的化学体系。XPS引言K.Siegbahn给这种谱仪取名为化学分析电子能谱(ElectronSpectroscopyforChemicalAnalysis)，简称为“ESCA”，这一称谓仍在分析领域内广泛使用。随着科学技术的发展，XPS也在不断地完善。目前，已开发出的小面积X射线光电子能谱，大大提高了XPS的空间分辨能力。XPS光电效应光电效应CorelevelshValancebandEFEVBindingEnergyKineticEnergyCharacteristicPhotoelectronCorelevelelectronsareejectedbythex-rayradiationTheK.E.oftheemittedelectronsisdependenton:IncidentenergyInstrumentworkfunctionElementbindingenergyXPS光电效应光电效应根据Einstein的能量关系式有：h=EB+EK其中为光子的频率，EB是内层电子的轨道结合能，EK是被入射光子所激发出的光电子的动能。实际的X射线光电子能谱仪中的能量关系。即其中为真空能级算起的结合能SP和S分别是谱仪和样品的功函数。EhEBVKSPS()XPS光电效应光电效应EBV与以Fermi能级算起的结合能EBF间有因此有：EEBVBFSEhEBFKSPXPSX射线光电子谱仪X射线光电子谱仪XPSX射线光电子谱仪X射线光电子谱仪X射线源是用于产生具有一定能量的X射线的装置，在目前的商品仪器中，一般以Al/Mg双阳极X射线源最为常见。XPSX射线光电子谱仪X射线光电子谱仪X射线Mg靶Al靶能量(eV)相对强度能量(eV)相对强度K11253.767.01486.767.0K21253.433.01486.333.0K’1258.21.01492.31.0K31262.19.21496.37.8K41263.15.11498.23.3K51271.00.81506.50.42K61274.20.51510.10.28K1302.02.01557.02.0XPSX射线光电子谱仪X射线光电子谱仪作为X射线光电子谱仪的激发源，希望其强度大、单色性好。同步辐射源是十分理想的激发源，具有良好的单色性，且可提供10eV~10keV连续可调的偏振光。在一般的X射线光电子谱仪中，没有X射线单色器，只是用一很薄(1~2m)的铝箔窗将样品和激发源分开，以防止X射线源中的散射电子进入样品室，同时可滤去相当部分的轫致辐射所形成的X射线本底。XPSX射线光电子谱仪X射线光电子谱仪将X射线用石英晶体的(1010)面沿Bragg反射方向衍射后便可使X射线单色化。X射线的单色性越高，谱仪的能量分辨率也越高。除在一般的分析中人们所经常使用的Al/Mg双阳极X射线源外，人们为某些特殊的研究目的，还经常选用一些其他阳极材料作为激发源。半峰高宽是评定某种X射线单色性好坏的一个重要指标。XPSX射线光电子谱仪X射线光电子谱仪射线能量半峰高宽(eV)YM132.30.44ZrM151.40.77NaK1041.00.4MgK1253.60.7AlK1486.60.8SiK1739.40.8TiK145111.4CrK154152.1CuK180482.5XPSX射线光电子谱基本原理X射线光电子谱基本原理X射线光电子能谱的理论依据就是Einstein的光电子发射公式，在实际的X射线光电子谱分析中，不仅用XPS测定轨道电子结合能，还经常用量子化学方法进行计算，并将二者进行比较。XPSX射线光电子谱基本原理突然近似体系受激出射光电子后，原稳定的电子结构受到破坏，这时体系处于何种状态、如何求解状态波函数及本征值遇到了很大的理论处理困难。突然近似认为，电离后的体系同电离前相比，除了某一轨道被打出一个电子外，其余轨道电子的运动状态不发生变化而处于某一种“冻结状态”。XPSX射线光电子谱基本原理突然近似按照这个假设前提，Koopmans认为轨道电子的结合能在数值上等于中性体系该轨道自洽单电子波函数的本征值的负值，即其中：表示用自洽场方法求得的ESCF(n,l,j)轨道电子能量的本征值，n,l,j为轨道的三个量子数。表示EaSCF用Koopmans定理确定的(n,l,j)轨道电子结合能。EnljEnljBKTSCF(,,)(,,)XPSX射线光电子谱基本原理突然近似Koopmans定理使某轨道电子结合能EB的求取变成计算该轨道电子波函数本征值而与终态无关，使计算简化。因为忽略了电离后终态的影响，这种方法只适用于闭壳层体系。XPSX射线光电子谱基本原理绝热近似实测的XPS谱是同电离体系的终态密切相关的，Koopmans定理所假设的离子轨道冻结状态是不存在的。绝热近似认为，电子从内壳层出射，结果使原来体系的平衡势场破坏，离子处于激发态。这时轨道电子结构将作出调整，电子轨道半径会出现收缩或膨涨，这一过程叫“电子弛豫”。XPSX射线光电子谱基本原理绝热近似弛豫的结果使离子回到基态，释放出弛豫能Erelax。因弛豫过程与光电子发射同时进行，所以加速了光电子的发射，提高了光电子动能。因此有其中：EBad表示按绝热近似求得的结合能。EEEBadBKTrelaxXPSX射线光电子谱基本原理绝热近似Hartree-Fock自洽场方法忽略了相对论效应和电子相关作用。如考虑这两项的影响，准确的理论计算公式为其中：Erelat和Ecorr分别为相对论效应和电子相关作用对结合能的校正，一般小于Erelax。EEEEEBSCFrelaxrelatcorrXPSX射线光电子谱基本原理绝热近似原子1s2s3p3s3p3d4sHeLiBeBCNOFNeNa1.53.87.010.613.716.619.322.124.824.00.00.71.62.43.03.64.14.84.10.71.62.43.23.94.74.4XPSX射线光电子谱基本原理绝热近似原子1s2s3p3s3p3d4sMgAlSiPSClArKTiMnCu24.626.127.128.329.530.731.832.835.440.148.25.26.17.07.88.59.39.910.813.017.223.76.07.18.08.89.610.411.112.214.418.825.70.71.01.21.31.41.61.82.23.65.17.70.20.40.60.91.11.42.03.44.97.22.03.65.30.30.40.3XPSX射线光电子谱基本原理绝热近似计算方法EB(eV)1s2sKoopmans定理SCF理论方法直接计算方法SCF理论方法考虑相对论校正考虑相对论校正及相关作用校正实验测量值981.7868.6869.4870.8870.252.549.349.348.348.4不同方法求得的Ne1s和Ne2s轨道结合能对比XPSX射线光电子谱基本原理结合能参照基准在用XPS测定内层电子结合能与理论计算结果进行比较时，必须有一共同的结合能参照基准。对于孤立原子，轨道结合能的定义为把一个电子从轨道移到核势场以外所需的能量，即以“自由电子能级”为基准的。在XPS中称这一基准为“真空能级”，它同理论计算的参照基准是一致的。XPSX射线光电子谱基本原理结合能参照基准对于气态XPS，测定的结合能与计算的结合能是一致，因此，可以直接比较对于导电固体样品，测定的结合能则是以Fermi能级为基准的，因此，同计算结果对比时，应用公式进行换算。对于非导电样品，参考能级的确定是比困难的。EEBVBFSXPSX射线光电子谱仪的能量校准X射线光电子谱仪的能量校准X射线光电子能谱分析的首要任务是谱仪的能量校准。一台工作正常的X射线光电子谱仪应是经过能量校准的。X射线光电子谱仪的能量校准工作是经常性的，一般地说，每工作几个月或半年，就要重新校准一次。XPSX射线光电子谱仪的能量校准能量零点对于导电的固体样品，其结合能的能量零点是其Fermi能级。在实际的工作中，是选择在Fermi能级附近有很高状态密度的纯金属作为标样。在高分辨率状态下，采集XPS谱，则在EBF=0处将出现一个急剧向上弯曲的谱峰拐点，这便是谱仪的坐标零点。XPSX射线光电子谱仪的能量校准能量零点作为结合能零点校准的标准试样，Ni,Pt,Pd是比较合适的材料。EB=0XPSX射线光电子谱仪的能量校准能量坐标标定有了仪器的能量零点后，需要选用一些易于纯化的金属，对谱仪的能量坐标进行标定。一般是选择相距比较远的两条谱线进行标定，所选谱线的能量位置是经过精确测定的。在两点定标方法中应注意选择适合于谱仪线性响应的标准谱线能量范围，同时必须对Fermi能量零点作出严格的校正。XPSX射线光电子谱仪的能量校准能量坐标标定Schon1972Johansson1973Asami1976Richter1978Bird1980Cu3pAu4f7/2Ag3d5/2Cu2p3/2CuLMM,EKEB，EFref分析仪器75.20.184.0368.2932.20.1919.00.1567.60.1PdAEIES10083.80.2368.20.2932.80.2918.30.2568.35.2PdMaqnelic84.07368.23932.53918.65567.96PdAEIES20084.0932.7918.35568.25PdAEIES20083.980.02368.210.03932.660.06918.640.04567.970.04PdAEIES200BXPSX射线光电子谱仪的能量校准能量坐标标定AlKMgKCu3pAu4f7/2Ag3d5/2CuL3MMCu2p3/2AgM4NN75.140.0283.980.02368.270.02567.970.02932.670.021128.790.0275.130.0284.000.01368.290.01334.950.01932.670.02895.760.02Seah给出的结合能标定值XPSX射线光电子谱仪的能量校准荷电效应用XPS测定绝缘体或半导体时，由于光电子的连续发射而得不到足够的电子补充，使得样品表面出现电子“亏损”，这种现象称为“荷电效应”。荷电效应将使样品出现一稳定的表面电势VS，它对光电子逃离有束缚作用。XPSX射线光电子谱仪的能量校准荷电效应考虑荷电效应有：其中ES=VSe为荷电效应引起的能量位移，使得正常谱线向低动能端偏移，即所测结合能值偏高。荷电效应还会使谱锋展宽、畸变，对分析结果产生一定的影响。EhEEKBFSPSXPSX射线光电子谱仪的能量校准荷电效应荷电效应的来源主要是样品的导电性能差。荷电电势的大小同样品的厚度、X射线源的工作参数等因素有关。实际工作中必须采取有效的措施解决荷电效应所导致的能量偏差。XPSX射线光电子谱仪的能量校准荷电效应-中和法制备超薄样品；测试时用低能电子束中