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光电子能谱XPS背后的物理图像

时间: 2022-06-11 10:30:47 | 作者：Miss | 来源: 喜蛋文章网 | 编辑: admin | 阅读: 93次

光电子能谱XPS背后的物理图像

当 X 射线入射源与样品相互作用后，激发出某个能级上的电子，测量这一电子的动能后，可以得到样品中有关的电子结构信息，这就是 XPS 方法的最简单描述。

具体而言，原子是由原子核及绕核运动的电子组成，电子在一定的轨道上运动，并有确定的能量。当一束有足够能量的 X 射线 ( hnu )，照射到某一固体样品（ M ）上，便可激发出某原子或分子中某个轨道上的电子，使原子或分子电离，激发出的电子获得了一定的动能 E_k ，留下一个离子 M^{+} ，这一 X 射线的激发过程可表示为：

hnu+M rightarrow M^{+}+e^{-}

由上式得到光电子发射过程的能量守恒方程：

E_k=hnu-E_B-Phi

其中， Phi 是功函数，是电子由费米能级进入真空能级成为自由电子所需要的能量。

样品经 X 射线激发出光电子，带有一定能量的电子经过特殊设计的电子透镜到达分析器，光电子的能量分布和强度在这里被电子倍增器测量。用PC 组成的数据系统收集谱图并进行数据处理。由于电子能谱中所测的电子动能在电子伏特（eV）范围，电子从样品到达探测器之间不能与任何物质相互作用，必须用各种真空泵维持系统在超高真空条件下工作。

被测样品也有需要注意的点：只能做在真空条件下不易挥发的固体样品；样品尺寸需要视样品架和仪器的空间分辨率而定；生物大分子等易挥发样品，需复杂的冷冻装置；样品不能有磁性。

由于 XPS 是一种表面分析法，保持样品表面的清洁及减少表面污染物极为重要。在样品测量前，应该详细了解样品来源、制备过程和样品的其它信息，如样品在分析前的预处理，样品在抛光和固定等处理过程的污染，再如电化学处理过程中引起的表面改变，真空中的样品断裂过程对样品的影响等。对一些特殊性能的样品要了解其处理方法，这对样品的数据分析非常有用。样品在运输过程中要严禁用手触摸，在样品安装和向真空室传递时，必须用专用手套和工具，要用专用的样品容器和包装物。

对于金属样品，当样品表面的电子被击出后，在表面产生了正电荷，继而会影响到被测电子的能量，故样品在实际测量中要接在专用的地线上，以消除表面电荷的积累。

XPS 谱图中的主线，是元素定性的主要依据。一般来说，来自同一壳层的光电子，总角动量量子数越大，谱线的强度越大。常见的强光电子线有 1s, 2p_{3/2},3d_{5/2},4f_{7/2} 等。除了强光电子线以外，还有来自其它壳层的光电子线，这些光电子线比起它们的最强光电子线的强度都要弱一些，在元素定性分析中起着辅助的作用。

如果从原子内层发射出来的光电子是一对自旋相反电子中的一个，留下一个未成对的电子可以至少采取两种方式形成空穴。若外层电子轨道上原来就有未成对的电子，其自旋方向正好与光电离后新产生的内层未配对电子的自旋方向相反，就会产生自旋耦合，使能量降低；如果二者自旋平行，则有较高的能量状态。

这两种终态导致了光电子线的多重分裂，多重分裂可以发生在不同的轨道。多重分裂的距离视不同的元素而异，且还与化学状态有关。待测元素常常可以通过主峰的能量位置，裂分距离及谱线的形状来进行化学态的鉴定。

部分光电子在穿越固体表面的过程中，不可避免的要经历各种非弹性散射，因而损失能量，结果在谱图上主峰低能端出现不连续的伴峰，称之为能量损失线。

本文是《张朝阳的物理课》6月3日线上课的拓展内容

文章标题: 光电子能谱XPS背后的物理图像
文章地址: http://www.xdqxjxc.cn/jingdianwenzhang/140788.html
文章标签：理论物理  物理科普  物理化学
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