XPS方法原理与仪器分析.ppt

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XPSXPS分析方法原理分析方法原理XPSXPS仪器基本结构仪器基本结构XPSXPS主要分析技术主要分析技术第六章第六章X射射线线光光电电子子谱谱是是重重要要的的表表面面分分析析技技术术之之一一。

它它不不仅仅能能探探测测表表面面以以及及深深度度的的化化学学组组成成，而而且且可可以以确确定定各各元元素素的的化化学学状状态态，因因此此，在在化化学学、材材料料科科学学及及表表面面科学中得以广泛地应用。

科学中得以广泛地应用。

XX射射射射线线光光光光电电子能子能子能子能谱谱分析方法原理分析方法原理分析方法原理分析方法原理v光电效应光电效应根据根据Einstein的能量关系式有：

的能量关系式有：

h=EB+EK其其中中为为光光子子的的频频率率，EB是是内内层层电电子子的的轨轨道道结结合合能能，EK是是被被入入射射光光子子所所激激发发出出的的光光电电子子的的动动能能。

实实际际的的X射射线线光光电电子子能能谱谱仪仪中中的的能能量量关关系系。

其中以真空能级算起的结合能即其中以真空能级算起的结合能即EBV与以与以Fermi能级算起的结合能能级算起的结合能EBF间有间有因此有：

因此有：

SP和和S分别是谱仪和样品的功函数分别是谱仪和样品的功函数光电子的特征性光电子的特征性当一束光子辐照到样品表面时，光子可以被样品中某一元当一束光子辐照到样品表面时，光子可以被样品中某一元素的原子轨道上的电子所吸收素的原子轨道上的电子所吸收电子脱离原子核的束缚，电子脱离原子核的束缚，以一定的动能从原子内部发射出来以一定的动能从原子内部发射出来自由的光电子；自由的光电子；对于对于特定的单色激发源和特定的原子轨道，其光电子的能量是特定的单色激发源和特定的原子轨道，其光电子的能量是特征的特征的其光电子的能量仅与元素的种类和所电离激发的其光电子的能量仅与元素的种类和所电离激发的原子轨道有关；原子轨道有关；XX射射射射线线光光光光电电子能子能子能子能谱谱分析方法原理分析方法原理分析方法原理分析方法原理11、根据光电子的能量，确定样品表面存在的元素；、根据光电子的能量，确定样品表面存在的元素；22、根据光电子的数量，确定元素在表面的含量；、根据光电子的数量，确定元素在表面的含量；33、XX射线束在表面扫描，可以测得元素在表面的分布；射线束在表面扫描，可以测得元素在表面的分布；44、采用离子枪溅射及变角技术，得到元素在深度方向的分布；、采用离子枪溅射及变角技术，得到元素在深度方向的分布；55、根据不同化学环境下光电子峰位移动、峰型、峰间距变化，、根据不同化学环境下光电子峰位移动、峰型、峰间距变化，获得化学信息；获得化学信息；Bindingenergy（eV）4f4d4p4p4sAuXPSspectrum横坐标为结合能结合能，纵坐标为光电子的光电子的计数率计数率；谱峰为光电子特征结光电子特征结合能合能；一、固体样品：

样品尺寸的限制一、固体样品：

样品尺寸的限制真空隔离要求的传递杆技术；注意真空隔离要求的传递杆技术；注意表面的成分的状态的保护；表面的成分的状态的保护；二、粉体样品：

双面胶带固定；压片法二、粉体样品：

双面胶带固定；压片法加热，表面反应、表面处理加热，表面反应、表面处理等动态分析要求等动态分析要求；三、特殊样品预处理：

三、特殊样品预处理：

11、含挥发性物质的样品、含挥发性物质的样品加热或溶剂清洗；加热或溶剂清洗；22、表面有机污染的样品：

有机溶剂清洗、表面有机污染的样品：

有机溶剂清洗除有机溶剂；除有机溶剂；33、带有微弱磁性的样品：

退磁处理；禁止带有磁性样品进入分析室；、带有微弱磁性的样品：

退磁处理；禁止带有磁性样品进入分析室；四、绝缘样品和导电性不好的样品：

仪器必须进行样品荷四、绝缘样品和导电性不好的样品：

仪器必须进行样品荷电校准；电校准；XPS谱仪的基本的基本结构框构框图12345影响仪器特性的最主要部件和因素影响仪器特性的最主要部件和因素一、仪器灵敏度：

激发源强度；能量分析器的入口狭缝有效面积、立体一、仪器灵敏度：

激发源强度；能量分析器的入口狭缝有效面积、立体接收角；电子传输率、电子检测器类型；接收角；电子传输率、电子检测器类型；二、仪器分辨率：

二、仪器分辨率：

XX射线源的自然线宽、能量分析器的线宽、受激样品原射线源的自然线宽、能量分析器的线宽、受激样品原子的能级线宽；子的能级线宽；一、一、XX射线激发源射线激发源：

要求强度大、单色性好激发源做单色化处理；大面积源-Al/Mg双阳极靶；微聚焦源单色源Al靶；二、快速进样室：

气体隔离室技术预处理室：

加热、蒸镀、刻蚀；三、三、能量分析器能量分析器：

电子传输率；能量分辨率；CMA/SDA在高分辨下有较高的灵敏度；减速聚焦透镜加大多功能能谱仪空间；浸入式磁透镜；四、四、检测器检测器：

数据采集脉冲计数方法电子倍增器+单粒子计数器；位置灵敏检测器（PSD）在聚焦面上同时平行安装一组增加分析器出口处电子检测面积倍增，形成多元检测系统；平行成像技术；五、五、超真空系统超真空系统：

防气体覆盖、能量损失三级真空泵联用：

机械泵+分子泵+溅射离子泵钛升华泵；六、六、其他附件其他附件：

荷电中和枪；离子枪；X射射线光光电子能子能谱仪关关键部件部件表面、界面成分分析能力表面、界面成分分析能力*较好的元素价态分析能力较好的元素价态分析能力化学位移分析：

化学位移分析：

由于元素所处化学环境不同，内层电子的由于元素所处化学环境不同，内层电子的轨道结合能也不同；通过测得元素的结合能和化学位移，鉴轨道结合能也不同；通过测得元素的结合能和化学位移，鉴定元素的化学价态；定元素的化学价态；结合能校准结合能校准：

标准样品测定化学位移：

标准样品测定化学位移谱图上测量峰位谱图上测量峰位位移、测量双峰间的距离变化、测量半峰高宽变化；位移、测量双峰间的距离变化、测量半峰高宽变化；*成分深度的分析能力成分深度的分析能力1、变角、变角XPS深度分析：

利用采样深度的变化获得元素浓度与深度分析：

利用采样深度的变化获得元素浓度与深度的对应关系；非破坏性分析；适用于深度的对应关系；非破坏性分析；适用于15nm表面层；表面层；2、Ar离子剥离深度分析：

交替方式离子剥离深度分析：

交替方式-循环数依据薄膜厚度及循环数依据薄膜厚度及深度分辨率而定；破坏性分析；深度分辨率而定；破坏性分析；X射射线光光电子能子能谱主要分析技主要分析技术8射线光电子能谱射线光电子能谱数据处理及分峰步骤数据处理及分峰步骤一、在一、在OriginOrigin中作图步骤：

中作图步骤：

1、打开文件，可以看到一列数据，找到相应元素找到相应元素（如N1s）对应的Region（一个Region对应一张谱图）,一个文件有多个Region。

2、继续向下找到KineticEnergy，其下面一个数据为动能起始值，即谱图左侧第一个数据。

用公式BE始始=1486.6-KE始始-换算成结合能起始值，是一个常数值，即荷电位移荷电位移，每个样品有一个值在邮件正文中给出。

3、再下面一个数据是步长步长值，如0.05或0.1或1，每张谱图间有可能不一样。

4、继续向下,可以找到401或801这样的数，该数为通道数通道数，即有401或801个数据点。

5、再下面的数据开始两个数据是脉冲脉冲，把它们舍舍去去，接下来的401或801个数据都是Y轴数据，将它们copy到B（Y）。

6、X轴：

轴：

点A（X），再点右键，然后点setcolumnvalues，出现一个对话框，在from中填1，在to中填401（通道数），在col（A）中填BE始始-0.05*（i-1），或直接填1486.6-KE始始-0.05*（i-1），最后点doit。

7、此时即可以作出N1s谱图。

8、画出来的图有可能有一些尖峰，那是脉冲脉冲，应把它们去去掉掉，方法为点Data-MoveDataPoints，然后按键盘上的或箭头去除脉冲。

二、分峰步骤二、分峰步骤1、将所拷贝数据转换成将所拷贝数据转换成TXT格式：

格式：

把所需拟合元素的数据引入Origin后，将columnA和B中的值复制到一空的记事本文档中（即成两列的格式，左边为结合能，右边为峰强），并存盘。

如要对数据进行去脉冲处理或截取其中一部分数据，需在Origin中做好处理。

2、打开XPSPeak，引入数据引入数据：

点Data-Import（ASCII），引入所存数据，则出现相应的XPS谱图。

3、选择本底选择本底：

点Background，因软件问题，HighBE和LowBE的位置最好不改，否则无法再回到Origin，此时本底将连接这两点，Type可据实际情况选择，一般选择Shirley类型。

4、加峰加峰：

点Addpeak，出现小框，在PeakType处选择s、p、d、f等峰类型（一般选s），在Position处选择希望的峰位，需固定时则点fix前小方框，同法还可选半峰宽（FWHM）、峰面积等。

各项中的constraints可用来固定此峰与另一峰的关系，如Pt4f7/2和Pt4f5/2的峰位间距可固定为3.45，峰面积比可固定为4:

3等。

点Deletepeak可去掉此峰。

然后再点Addpeak选第二个峰，如此重复。

5、拟合：

拟合：

选好所需拟合的峰个数及大致参数后，点Optimiseregion进行拟合，观察拟合后总峰与原始峰的重合情况，如不好，可以多次点Optimiseregion。

6、参数查看：

参数查看：

拟合完成后，分别点另一个窗口中的RigionPeaks下方的0、1、2等可看每个峰的参数，此时XPS峰中变红的为被选中的峰。

如对拟合结果不region满意，可改变这些峰的参数，然后再点Optimise。

7、点SaveXPS存图存图，下回要打开时点OpenXPS就可以打开这副图继续进行处理。

88、数据输出：

、数据输出：

点DataPrintwithpeakparameters可打印带各峰参数的谱图，通过峰面积可计算此元素在不同峰位的化学态的含量比。

点DataExporttoclipboard，则将图和数据都复制到了剪贴板上，打开文档（如Word文档），点粘贴，就把图和数据粘贴过去了。

点DataExport（spectrum），则将拟合好的数据存盘，然后在Origin中从多列数据栏打开，则可得多列数据，并在Origin中作出拟合后的图。

将拟合好的数据重新引回到重新引回到Origin: