搜索
1武汉理工大学材料学院学硕班《材料研究与测试方法》思考题第四章X光电子能谱分析1.简述光电子能谱分析的定义和主要类型及其特点。答：光电子能谱分析是一种研究材料表层的元素组成与化学状态的表面分析技术，其基本原理：用单色射线照射样品，使表层原子或分子的内层电子受激并发射，成为光电子，并测量这些光电子的能量分布，然后与已知原子的不同壳层的电子能量相比较，确定未知样品表层的元素组成和化学状态。一般认为，分析的信息深度10nm左右。名称简称发射源分析粒子逸出深度主要用途X射线光电子谱ＸＰＳＸ射线光电子～１０ｎｍ成分、化合态紫外线光电子谱ＵＰＳ紫外光价电子＜１ｎｍ分子及固体电子态俄歇电子能谱ＡＥＳＸ射线或电子束俄歇电子０.４～２ｎｍ成分次级离子能谱ＳＩＭＳ离子束二次离子～１０ｎｍ微区成分2.何谓X射线光电子能谱分析？简述其基本原理。答：XPS是用X射线激发表层原子的内层电子，产生光电子，因为内层能级的结合能对特定的元素有特定的值，通过测定电子的结合能和谱峰强度，可对除H和He(因为它们没有内层能级)之外的其他元素进行定量分析。原理：样品受到X射线辐照后，发射光电子，经电子能量分析器分离，被探测器收集后经过计算机处理，得到该样品的XPS谱图。原子内层电子结合能的变化可以提供分子结构、电子结构。价态等信息。3.简述产生光电子的光电效应过程。2答：物质受光作用放出电子的现象称为光电效应。当具有一定能量hν的入射光子与样品中的原子相互作用时，单个光子把全部能量交换给原子某壳层上一个受束缚的电子，这个电子就获得了这个能量。如果该能量大于该电子的结合能Eb，该电子就将脱离原来受束缚的能级；若还有多余的能量可以使电子克服功函数W，则电子就成为自由电子、并获得一定的动能Ek，原子本身则变成激发态离子。该过程就称为光电效应。4.何谓光电子的逸出几率和逸出深度？其逸出深度由哪些物理参数决定？答：逸出几率：（用光电截面δ表示）定义为某能级的电子对入射光子的有效能量转移面积，或者一定能量的光子从某个能级激发出一个光电子的几率。逸出深度：光电子在固体样品中不发生非弹性碰撞时逸出的深度几率。决定于电子能量和电子平均自由程。5.什么叫电子结合能和逸出功？逸出功又叫什么？如何获得电子结合能？答：电子结合能：电子从所在能级转移到费米能级（0K时固体能带中充满电子的最高能级）所需的能量。逸出功：又叫功函数φ，电子从费米能级跃迁到自由电子能级（真空能级）所需要的能量。6.XPS谱图中纵、横坐标标识的含义是什么？答：横坐标：电子结合能（eV）或者电子动能（eV）纵坐标：强度，计数率（eps）7.何为化学位移？简述氧化过程和还原过程的化学位移规律。答：由于原子所处的化学环境不同而引起的原子内壳层电子结合能的变化，在谱图上表现为谱线的位移，这种现象称为化学位移。氧化作用使内层电子的结合能升高，氧化中失电子数愈多，上升幅度愈大；还原作用使内层电子的结合能降低，还原中得电子数增加，下降幅度增大；对于给定价电子壳层结构的原子，所有内层电子结合能的位移几乎相同。8.简述化学位移与元素电负性之间的关系。答：原子内层电子的结合能与成键离子的电负性有关，电负性愈大，键的离子特性愈大，电子结合能也越大；若化合物中有不同电负性的离子取代时，电子结合能会发生位移，取代离子的电负性越大，位移越大。39.何谓XPS信息深度？金属材料、无机材料和有机高分子材料的光电子逸出深度范围各是多少？答：当厚度t达到光电子逸出深度λ(Ek)的4倍时，光电子强度剩下不到光电子初始强度Iθ的2%；当厚度t达到光电子逸出深度的3倍时，光电子强度剩下不到光电子初始强度Iθ的5%，这是可认为全部信号已被衰减掉。3λ(Ek)被定义为XPS信息深度或XPS分析深度λ(Ek)：金属材料0.5-3nm无机材料2-4nm有机高分子材料4-10nm10.XPS谱中主线如何标记？简述XPS技术定性分析表层元素组成的步骤。答：电子在原子中的状态常用量子数nlJ来描述·主量子数n=1，2，3，……..通用符号K，L，M，N，O…原子壳层·角量子数l=1，2，3，……..（n-1）通常用s,p,d,f等符号表示·总角量子数J=∣l±1/2∣原子中的轨道能级取决于n和l的取值如n=2,l=1,J=∣l±1/2∣={1/23/2XPS谱线表示为：2P1/2，2P3/2步骤：a.首先标识那些总是出现的谱线及其卫星线和能量损失线b.然后标识谱图中最强、代表样品主体元素的光电子谱线。用元素内层电子结合能表仔细核对，找出相应的弱光电子线和俄歇线群。c.最后标识余下的最弱线，要考虑可能是微量元素或杂志的，也可能是强谱线的卫星线。d.反复核对无归属的线，想想是否为鬼线，查表核对。e.当发现一个元素的强光电子线被另一个元素的俄歇线干扰时，看换靶时该线是在结合能标识谱图中是否移动，因为光电子线将不动，俄歇4线将改变位置。11.XPS谱图除主线还有哪些伴线？并简述各自的产生机制。答：俄歇线：当原子中的一个内层电子光致电离而射出后，在内层留下一个空穴，原子处于激发态，要向低能转化，一种方式是通过辐射跃迁放出X射线荧光，另外一种是通过非辐射跃迁是另一个电子激发成为自由电子，该电子成为俄歇电子，由俄歇电子形成的谱线就是俄歇线，X射线卫星线：用来照射样品的单色X射线并非单色，常规的Al/MgKα1,2射线里混杂着能量略高的Kα3,4,5,6和Kβ射线，它们分别是阳极材料原子中的L2和L3能级上的6个状态不同的电子和M能级的电子跃迁到K层上产生的荧光X射线效应，这些射线统称为X射线卫星线。鬼线：由靶极材料中杂质引起，又称杂质X射线伴线振激线和振离线：在光电发射过程中，由于内壳层形成空位，原子中心电位发生突然变化，引起价壳层电子跃迁，这时有两种可能的结果a.如果价壳层电子跃迁到更高能级的束缚态，则称之为电子振激，形成振激谱线b.如果价壳层电子跃迁到非束缚的连续状态形成了自由电子，则称此过程为电子振离，形成振离谱线。多重劈裂线：当原子的价壳层有未成对的自旋电子时，光致电离所形成的内层空位将与之耦合，使体系出现不止一个终态，表现为XPS谱图上即为谱线分裂。能量损失线：光电子在穿过样品表面时，同原子（或分子）之间发生非弹性碰撞，损失能量后在谱图上出现的伴峰。12.简述俄歇电子的产生过程、出现形式和化学位移特点。答：产生过程：入射电子束或X射线使原子内层能级电子电离，外层电子产生无辐射俄歇跃迁，发射俄歇电子。出现形式：X射线激发的俄歇电子峰多以谱线群的形式出现化学位移：XPS中化学位移只涉及一个能级，而在AES中的化学位移因跃迁过程涉及三个能级，测量较为困难。13.俄歇线如何标识？其标识符号有何含义？答：涉及三个电子层，用三个字母表示，如如KL3L1第一个字母K表示初始空穴所在电子层5第二个字母L3表示第二态空穴所在电子层第三个字母L1表示发射俄歇电子的那个电子层（终态空穴所在电子层）14.当俄歇线和光电子主线不能区分时，用什么方法判别？答：看换靶时该线是在结合能标识谱图中是否移动，因为光电子线将不动，俄歇线将改变位置。15.XPS分析仪中电子能量分析器的作用是什么？答：按能量大小色散光电子，即分别聚焦不同能量的光电子，得到不同能量光电子的相对强度，它必须在高真空条件下工作即真空度要优于10-5Pa，以便尽量减少电子与分析器中残余气体分子碰撞的几率。16.简述XPS分析中荷电效应产生原因和消除方法。答：原因：由于各种样品的导电性能不同，在光电子发射后，样品表面都有不同程度的正电荷聚集，要向样品的光电子继续发射，导致光电子动能降低，绝缘样品的光电子动能降低现象最为严重，这使得光电子信号在XPS谱图上的结合能偏高，偏离其本征结合能值，严重时偏高可达数十eV,一般情况下都偏高3-5eV.消除方法：a.污染C1s外标法：利用谱仪抽真空扩散泵的油含有碳作为能量校正，b.内标法：有机高分子系列样品常常共有的基团，这些基团的化学环境不因样品不同而变化，可用该集团在某一样品中的表现能量为参考，标定其他基团的元素的谱线位置c.超薄法：将试样溶于易挥发的有机溶剂中，滴一滴试液在样品托上，有机溶剂挥发后形成1-2个分子层，这样的薄层可以发射足够的光电子信号，导电性能良好。17.简述XPS谱分析的主要内容及其分析依据。答：a.表层元素组成定性分析：常见元素各轨道电子的结合能b.表层元素含量定量分析：常见元素各轨道电子主线的强度c.表层元素价态和化学环境精细分析：谱线偏离常见元素各轨道电子主线的化学位移d.基于离子束刻蚀的XPS深度分析：常见元素的浓度和化学态随深度的变化。