《X射线光电子能谱数据分析》宋廷鲁，邹美帅，鲁德凤作|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《X射线光电子能谱数据分析》

【作　者】宋廷鲁，邹美帅，鲁德凤作

【页 数】 468

【出版社】 北京：北京理工大学出版社 , 2022.11

【ISBN号】978-7-5763-1821-0

【价 格】178.00

【分 类】X射线光电子能谱仪（XPS）-数据处理

【参考文献】 宋廷鲁，邹美帅，鲁德凤作. X射线光电子能谱数据分析. 北京：北京理工大学出版社, 2022.11.

图书封面：

图书目录：

《X射线光电子能谱数据分析》内容提要：

X射线光电子能谱（XPS）应用广泛，是目前最常用的表面分析技术之一。全书共4章，分为X射线光电子能谱基础篇、数据分析基础篇、数据分析软件篇和数据分析实战篇，不但内容详实全面，而且还有大量分析案例，是作者多年宝贵的经验总结。本书主要为涉及X射线光电子能谱的研究人员编写。可供材料、化学化工、物理等相关专业的本科生、研究生、教师以及科研人员、技术人员作为教材、工具书和使用手册，在教学科研中具有重要的指导意义与参考价值。

《X射线光电子能谱数据分析》内容试读

第1章

X射线光电子能谱理论篇

X射线光电子能谱数据分析

1.1X射线光电子能谱基本原理

X射线光电子能谱(X-ray Photoelectron Spectroscopy,XPS),又被称为化学分析电子能谱(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis,ESCA),是一种常用的表面分析技术，其除了可以表征材料的成分与组成，还可以分析各成分的化学态，并可定量表征每种成分的相对含量，因而被广泛应用于材料研究的各个领域。

XPS的基本原理（图1.1）为原子中的电子被束缚在不同的轨道能级上，

当一定能量的X射线入射到样品表面时，原子吸收能量为v的光子后，可以激发出轨道芯能级中的电子（即光电子）。基于爱因斯坦的光电效应理论，整个激发过程遵循能量守恒定律，简单来说，当入射光的能量v大于轨道电子的结合能E时，可以激发出动能Ex的电子。由于不同元素不同轨道所激发出

的光电子具有不同的特征结合能E。,因此可以用结合能E。的数值来表征不同

的元素和化学态信息。

光电效应理论：

根据Einstein光电发射定律，能量守恒关系：

Ek =hv -EB

式中，v为光子的能量；E.为内层电子的轨道结合能，即电子从轨道跃迁到

真空能级所需要的能量；E,为被入射光子所激发出的光电子的动能。

002 X-ray Photoelectron Spectroscopy Data Analysis

第1章X射线光电子能谱理论篇

光电子(O1s),photon-emitted Ols

样品(SAMPLE

谱仪(SPECTROMETER)

X射线(ho)

)真空能级(VACUUM)

直空能级(VACUUM)

spEC-ds

2p

费米能级(FERMI)

费米能级(FERM1)

e

氧原子(Oxygen atom)

样品(SAMPLE)

谱仪(SPECTROMETER)

(a)

(b)】

图1.1XPS的基本原理

(a)光电效应；(b)光电子测量能级示意图

图1.1(b)测试固体材料时，要考虑仪器功函和材料功函的影响，X射线光电子能谱仪中的能量关系，即

Eg=hv-Ex-(中sr-Φs）ER=hv-Ex-中sp=hv-Eg-中s

式中，E:为相对于真空能级的结合能；E为相对于费米能级的结合能；中s和中分别是谱仪和样品的功函数。

XPS采用X射线激发源照射样品表面，常用的X射线源是A1Kα单色化X

射线源，能量为1486.6eV,探测从样品表面射出的光电子的能量分布。由于

X射线的能量较高，得到的主要是原子内壳层轨道中电离出来的光电子。由于

光电子携带样品的特征信息（元素信息、化学态信息等），通过测量逃逸光电子的动能，就可以表征出样品中的元素组成和化学态信息。

瑞典皇家科学院院士、乌普萨拉(Uppsala)大学物理研究所Kai Siegbahn教授课题组发现内壳层电子结合能位移现象，将它成功应用于化学问题的研究中，并在20世纪五六十年代逐步发展完善了这种分析测试技术。由于其在高分辨光电子能谱方面的杰出贡献，Kai Siegbahn荣获了l981年的诺贝尔物理学奖。

003

X射线光电子能谱数据分析

|1.2XPS全谱信息与精细谱化学态识别

X射线光电子能谱仪主要测量光电子的动能，光子能量减去动能就可以确

定光电子的结合能。原子中的每个轨道激发的光电子都有独特的结合能，具有

特征性。因此，采集XPS全谱就可以表征出样品表面元素的成分信息。

1.2.1XPS全谱信息

通常我们看到的XPS图谱（图1.2）横坐标是结合能信息，纵坐标代表谱

峰强度。结合能能量范围为0~1400eV左右，是因为现在商业化的XPS系统多采用的是单色化的Al Ka X射线，能量为1486.6eV,所以结合能低于1400eV的电子都有可能被激发出来用于分析。

EPEav-

NNW

1400

1200

1000

800

600

400

200

0

结合能/eV

图1.2纯银的XPS标准全谱示例

一些设备也会选配高能靶，比如Ti、Zr、Ag、Cr等，入射源能量更高，可以激发出结合能更高的内壳层中的电子，因此采集的成分信息深度更深、能量

范围更广。通常我们讨论的主要是A1KαX射线采集的图谱。

通过谱峰的能量位置可以进行元素的定性分析，这些能量的数值可以通

过XPS数据手册或相关数据库查到。另外，这些信息在专业的XPS解析软

件中也有集成，通过软件可以自动进行谱峰识别。目前XPS商业化设备常见

004X-ray Photoelectron Spectroscopy Data Analysis

第1章X射线光电子能谱理论篇

的自带软件如Avantage和MultiPak都自带数据库，因而更易对谱峰进行定性分析。

1.2.2XPS精细谱化学态识别

当处于一定化学环境中的原子发生得电子或失电子时，其结合能会发生变化，产生化学位移（图1.3）。由于化合物结构的变化和元素化学状态的变化

引起的谱峰有规律的位移称为化学位移。因此，XPS最主要的能力和技术优势

之一即为扫描（窄扫描，Narrow Scan)对应元素的精细谱，通过精准的能量位置就可以进一步判断元素所处的价态或化学态。

Electron Vacancy Due to Oxidation

氧化引起的电子空位

Emitted Photoelectron出射光电子(e)

X-ray EFemi level

2pX射线费米能级一

3/2

8

2s

12

Encr性鞋

△B.E.:

Chemical shift化学位移

图1.3XPS结合能位移与化学态相关示意图

原子核外电子会受到其他轨道电子的排斥力，也会受到原子核的库仑作用而被吸引（图1.4）。大部分情况下，当原子得电子时，电子间斥力变大，结合能向低能位移；当原子失电子时，原子核对电子的吸引力变大，结合能增加，结合能向高能位移。所以，多数情况下，同一原子失去电子（发生氧化）时，结合能会往高能位移，得电子（发生还原）时，结合能会往低能位移。准确的光电子能量峰值可表征被激发原子的化学态，化学位移的方向与强度取决于所探测的元素及轨道。当化学环境变化时，某些原子的化学位移有几个电子伏特，从图谱中很容易分辨，但某些原子的化学位移并不明显。

1.2.3结合能位移与化学态

结合图1.5来看一下结合能位移与化学态相关图谱的关系。对于Si2p谱峰，氧化硅的能量(103.4eV)明显高于单质硅(99.15eV),化学位移有4eV左右；同样，对于S1s的谱峰能量位置，如果以单质S的能量位置为0

005

X射线光电子能谱数据分析

Electron-Electron

repulsion电子一电子相斥

Electron-Nucleus

Attraction

电子-原子核

互相吸引

图1.4电子与原子核之间的作用

点，S2-价结合能相对单质S能量向低能位移2eV左右，S4+、S6+价结合能相对单质S能量向高能位移，分别为4eV和6eV左右，很容易通过结合能信息判断化学态。

Si chemical shift

S chemical shift

Si化学位移

S化学位移

>

35000

99.56

Si2p

Si

6

30000

5

Na,SO,

●

云25000

●

Na,SO

20000

2

盛15000

103.36

10000

0Na,S

-1

5000

0

-2

-

●

110108106104102100989694

-3-2-101234567

结合能eV

不同形式氧化态

(a)

(b)

图1.5Si2p和S1s谱峰能量位移与化学态的关联示例(a)Si2p精细谱：(b)S1s能量位移与化学态的关系

对于有机化合物（图1.6），电负性越强的原子越易吸电子，比如0、F。

所以，对C来说，与电负性越强的原子结合，C1s的结合能会向更高的能量位

移，比如C一F的结合能高于C一0的结合能，C一0的结合能高于C一C的结

合能。

006X-ray Photoelectron Spectroscopy Data Analysis

···试读结束···