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词条 x射线光电子能谱
释义

基本定义

以X射线为激发光源的光电子能谱,简称XPS或ESCA。处于原子内壳层的电子结合能较高,要把它打出来需要能量较高的光子,以镁或铝作为阳极材料的X射线源得到的光子能量分别为1253.6电子伏和1486.6电子伏,此范围内的光子能量足以把不太重的原子的1s电子打出来。周期表上第二周期中原子的1s电子的XPS谱线见图1。结合能值各不相同,而且各元素之间相差很大,容易识别(从锂的55电子伏增加到氟的694电子伏),因此,通过考查1s的结合能可以鉴定样品中的化学元素。

除了不同元素的同一内壳层电子(inner shell electron)(如1s电子)的结合能各有不同的值而外,给定原子的某给定内壳层电子的结合能还与该原子的化学结合状态及其化学环境有关,随着该原子所在分子的不同,该给定内壳层电子的光电子峰会有位移,称为化学位移(chemical shift)。这是由于内壳层电子的结合能除主要决定于原子核电荷而外,还受周围价电子的影响。电负性比该原子大的原子趋向于把该原子的价电子拉向近旁,使该原子核同其1s电子结合牢固,从而增加结合能。如三氟乙酸乙酯CF3COOC2H5中的四个碳原子分别处于四种不同的化学环境,同四种具有不同电负性的原子结合。由于氟的电负性最大, CF婣中碳原子的C(1s)结合能最高(图2)。通过对化学位移的考察,XPS在化学上成为研究电子结构和高分子结构、链结构分析的有力工具。

基本原理

X射线光子的能量在1000~1500ev之间,不仅可使分子的价电子电离而且也可以把内层电子激发出来,内层电子的能级受分子环境的影响很小。 同一原子的内层电子结合能在不同分子中相差很大,故它是特征的。光子入射到固体表面激发出光电子,利用能量分析器对光电子进行分析的实验技术称为光电子能谱。

用途

对固体样品的元素成分进行定性、定量或半定量及价态分析。 固体样品表面的组成、化学状态分析,广泛应用于元素分析、多相研究、化合物结构鉴定、富集法微量元素分析、元素价态鉴定。此外在对氧化、腐蚀、摩擦、润滑、燃烧、粘接、催化、包覆等微观机理研究;污染化学、尘埃粒子研究等的环保测定;分子生物化学以及三维剖析如界面及过渡层的研究等方面有所应用。

XPS的历史

1887年,海因里希·鲁道夫·赫兹发现了光电效应,1905年,爱因斯坦解释了该现象(并为此获得了1921年的诺贝尔物理学奖)。两年后的1907年,P.D. Innes用伦琴管、亥姆霍兹线圈、磁场半球(电子能量分析仪)和照像平版做实验来记录宽带发射电子和速度的函数关系,他的实验事实上记录了人类第一条X射线光电子能谱。其他研究者如亨利·莫塞莱、罗林逊和罗宾逊等人则分别独立进行了多项实验,试图研究这些宽带所包含的细节内容。XPS的研究由于战争而中止,第二次世界大战后瑞典物理学家凯·西格巴恩和他在乌普萨拉的研究小组在研发XPS设备中获得了多项重大进展,并于1954年获得了氯化钠的首条高能高分辨X射线光电子能谱,显示了XPS技术的强大潜力。1967年之后的几年间,西格巴恩就XPS技术发表了一系列学术成果,使XPS的应用被世人所公认。在与西格巴恩的合作下,美国惠普公司于1969年制造了世界上首台商业单色X射线光电子能谱仪。1981年西格巴恩获得诺贝尔物理学奖,以表彰他将XPS发展为一个重要分析技术所作出的杰出贡献。

XPS的物理原理

XPS的原理是用X射线去辐射样品,使原子或分子的内层电子或价电子受激发射出来。被光子激发出来的电子称为光电子。可以测量光电子的能量,以光电子的动能/束缚能 binding energy,(Eb=hv光能量-Ek动能-w功函数)为横坐标,相对强度(脉冲/s)为纵坐标可做出光电子能谱图。从而获得试样有关信息。X射线光电子能谱因对化学分析最有用,因此被称为化学分析用电子能谱(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis)

XPS系统的组件

一台商业制造的XPS系统的主要组件包括:X射线源

超高真空不锈钢舱室及超高真空泵

电子收集透镜

电子能量分析仪

μ合金磁场屏蔽

电子探测系统

适度真空的样品舱室

样品支架

样品台

样品台操控装置

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更新时间:2025/3/22 22:19:10