电子能谱仪的主要构造部分
电子能谱仪的主要构造部分电子能谱仪通常由激发源（X射线枪和电子枪）、离子枪、样品室、电子能量分析器、检测器和真空系统组成。XPS的激发源为X射线枪，AES的激发源为电子枪，除此之外其它部分相同。样品室样品室可同时放置几个样品，既可以对样品进行多种分析，又可以对样品进行加热、
冷却、蒸镀和刻腐等。并且，依靠真空闭锁装置，可以使得在换样过程中对真
空破坏不大。X射线枪X射线枪是X光电子能谱仪（XPS）的激发源。XPS
用X射线枪的靶极材料为镁和铝，产生的MgKα和AlKα射线，经晶体分光后照射样品，激发产生光电子。MgKα能量为
1253.6ev，AlKα能量为1486.6eV，分光后的谱线宽度为0.2-0.3eV。电子枪电子枪是俄歇电子能谱仪（AES）的激发源。由阴极产生的电子束经聚焦后
成为很小的电子束斑打在样品上，激发产生俄歇电子。电子枪又分为固定式和
扫描式两种，扫描式电子枪的电子束在偏转电极控制下可以在样品上扫描，电
子束斑直径大约5μm，这种电子能谱仪又叫俄歇探针，利用俄歇探针可以
进行固体表面元素分析。检测器电子能谱仪的检测器多使用单通道电子倍增器，由于串级碰撞作用，电子打到倍增器后可以有106-108的增益，在倍增器末端输出很强的脉冲，脉冲放大后经多道分析器和计算机处理并显示。真空系统电
子能谱仪需要超高真空。因为，电子能谱仪是一种表面分析仪器，如果真空度
没有足够高，清洁的样品表面会很快被残余气体分子所覆盖，这样就不能得到
正确的分析结果；另外，广州市骏凯电子科技有限公司光电子信号一般很弱，
光电子能量也很低，过多的残余气体分子与光电子碰撞，可能使得光电子得不
到检测。因此，电子能谱仪要求10-7-10-8pa的真空度，为了达到这么高的真
空度，电子能谱仪的真空系统由机械泵、分子涡轮泵、离子溅射泵和钛升华泵
光电子能谱分析 光电子能谱分析是一种基于光电效应原理的表征材料电子结构和性 质的重要技术手段。通过研究材料的光电子能谱，可以得到材料中的 电子能带结构、费米能级、元素组成等信息，从而深入了解材料的性 质和反应过程。本文将介绍光电子能谱分析的原理、仪器设备以及应 用领域等内容。 一、光电子能谱分析的原理 光电子能谱分析是基于光电效应的原理进行的。光电效应是指当光 束照射到物质表面时，光子与物质中的电子相互作用，使得电子从物 质中抽离出来，形成光电子。当光子的能量大于或接近于材料中最外 层电子的束缚能时，光电子就会被抽离出来，并在外加电场的作用下 被加速，形成具有动能的光电子。通过测量光电子的动能和强度，就 可以得到光电子能谱图。 二、光电子能谱分析的仪器设备 光电子能谱分析需要使用光电子能谱仪。光电子能谱仪主要由光源、样品台、能谱分析器和探测器等部分组成。光源通常采用气体放电光 源或光阴极等发射强度较高的光源，用于产生高能量的光子。样品台 用于固定待测材料，通过样品台上的电子能量分析器，对光电子的能 量进行分析，从而得到光电子能谱。探测器接收并放大光电子信号， 将信号传递至数据采集系统进行记录和分析。 三、光电子能谱分析的应用领域
光电子能谱分析在材料科学、表面物理化学、固体电子学等领域具 有广泛的应用。以下列举几个典型的应用领域： 1. 材料表征与表面分析：通过光电子能谱分析，可以获取材料中电 子能带结构、元素组成、表面形貌等信息，用于表征和研究材料的物 理性质和化学反应过程。 2. 半导体器件分析：光电子能谱分析可用于研究半导体材料中的载 流子分布、能量态密度分布等，从而为半导体器件的设计和性能优化 提供依据。 3. 催化剂研究：光电子能谱分析可用于研究催化剂表面活性位点的 形成、电子结构及与反应物的相互作用，有助于优化催化剂的催化性能。 4. 电子能带结构研究：通过对不同材料的光电子能谱分析，可以揭 示材料电子能带结构的演化规律，深入了解材料的导电性质和能带间 的相互作用机制。 总结 光电子能谱分析是一种重要的表征材料电子结构和性质的技术手段。它基于光电效应原理，通过测量光电子的动能和强度，得到材料的光 电子能谱信息。光电子能谱分析在材料科学、表面物理化学、固体电 子学等领域有着广泛的应用，为研究材料性质和优化器件设计提供了 重要的实验手段。随着科学技术的不断进步，光电子能谱分析也将在 更多领域展示其强大的应用潜力。
X射线光电子能谱仪简介 主要内容XPS基本原理XPS仪器构造XPS冶金学科的应用 XPS基本原理XPS是什么X-ray Photoelectron Spectroscopy（X射线光电子能谱，简称XPS）是利用波长在X 射线范围的高能光子照射被测样品，测量由此引起的光电子能量分布的一种谱学方法。样
品在X射线作用下，各种轨道电子都有可能从原子中激发成为光电子，由于各种原子、分子的轨道电子的结合能是一定的，因此可用来测定表面化学元素组成、含量及形态。样品表面受辐射损伤小，能检测周期表中除H、He以外的所有元素。 XPS基本原理一定能量(hυ)的X光照射到样品表面，和待测光电物质发生作用，可以使待测物质原子 中的电子效应脱离原子成为自由电子(光电子)。Kinetic Energy 动能光电子
E K E X-ray fermi level hυBinding Energy2p 结合能 E B 2s 1s 能量守恒hυ =E+E+* ?hυ> E A + h υ?→ A+ e B K B XPS基本原理这些光电子进入能量分析器，利用能量分析器的色散作用，可获得按能量大小分布的X射线光电子谱，如图所示。右图为金属铝的XPS谱图（激发源为单色AlK）α（a）扫描全谱；（b）为（a）高能端的扩展。
XPS基本原理样品处理简单，无损伤XPS特色广泛适应性能获取丰富的化学信息定量分析较好原子浓度>1%的所有元素（除 H, He 外）的鉴别在最外层表面10nm 表面元素组成的半定量测定（误差<±10%）内，XPS 可提供亚单层灵敏度；探测深度1～20原子单层(<10 nm) 优异的化学信息(化学位移和各种终态效应，以及完善的标准化合物数据库)；关于分子环境的信息（氧化态、成键状态等）使用价带谱，分析能带中的电子态密度样品10nm 内的
电子能谱仪的使用方法与能级分析技巧 引言： 电子能谱仪是一种先进的仪器设备，广泛应用于物理学、化学、材料科学等领域。它通过测量物质中电子能级跃迁所释放的能量，来研究原子和分子的能级结构及其性质。在本文中，将介绍电子能谱仪的使用方法和能级分析技巧。 一、电子能谱仪的基本原理 电子能谱仪主要由光源、样品室、能谱仪器和数据分析系统组成。其基本工作原理是：光源产生特定能量的光子，通过样品室照射到待测样品上，样品吸收光子能量后，电子从低能级跃迁到高能级，而后从高能级跃迁回低能级时，释放出与能级差相对应的能量。能谱仪器通过测量这些能量的大小和数量，来分析样品的电子能级结构。 二、电子能谱仪的使用方法 1. 准备样品：将待测样品放置到样品室中，确保样品表面平整、干净，并去除杂质。样品的制备需根据研究目的和样品性质进行选择，如金属、有机物或无机化合物等。 2. 能级分析参数设定：根据样品的特性，调整能谱仪器的参数。例如，选择适当的光源能量、设置扫描速度和时间、设定电子能级检测器的敏感度等。 3. 开始测量：启动能谱仪器，进行能谱扫描。过程中需要保持样品室的真空状态，以避免气体分子对实验结果的影响。 4. 数据记录与保存：能谱仪器将测量的能谱数据转化为电压或计数信号，通过数据分析系统进行记录和保存。
5. 能谱图解析与分析：运用合适的数据分析软件，将能谱数据转化为能谱图。通过对能谱的峰形、位置和强度等特征进行分析，可以判断样品的电子能级结构以及其它性质。 三、能级分析技巧 1. 峰形分析：通过分析能谱图中的峰形，可以获取有关能级跃迁的信息。缩小扫描范围、增加扫描次数和调整峰宽等方法，可提高峰形清晰度，有助于解析复杂样品的能级跃迁信息。 2. 峰位置分析：测量能谱图中峰的位置，可计算出对应能级间的能量差。利用Calibrate软件进行精确峰位校准，提高峰位测量的准确性。 3. 峰强度分析：各峰的强度与能级跃迁的概率成正比，通过比较各峰的相对强度，可以推断出能级之间的相对跃迁概率。同时，峰强度还与样品的浓度和分子结构等因素有关。 4. 能级结构分析：通过对峰的能量差和强度等信息进行综合分析，可以推断出样品的能级结构。对于复杂的样品，可以通过与已知样品的能级对比，进一步确认能级结构。 结语： 电子能谱仪作为一种重要的科研工具，为研究物质的电子能级结构和性质提供了有效的手段。通过掌握能谱仪的使用方法和能级分析技巧，可以准确测量和分析样品的能级信息，为科学研究和工程实践提供有力支持。希望本文的介绍能对电子能谱仪的使用者有所帮助。
第18章X射线光电子能谱分析 18.1 引言 固体表面分析业已发展为一种常用的仪器分析方法，特别是对于固体材料的分析和元素化学价态分析。目前常用的表面成分分析方法有：X射线光电子能谱（XPS）, 俄歇电子能谱(AES)，静态二次离子质谱(SIMS)和离子散射谱(ISS)。AES 分析主要应用于物理方面的固体材料科学的研究，而XPS的应用面则广泛得多，更适合于化学领域的研究。SIMS和ISS由于定量效果较差，在常规表面分析中的应用相对较少。但近年随着飞行时间质谱（TOF-SIMS）的发展，使得质谱在表面分析上的应用也逐渐增加。本章主要介绍X射线光电子能谱的实验方法。 X射线光电子能谱（XPS）也被称作化学分析用电子能谱（ESCA）。该方法是在六十年代由瑞典科学家Kai Siegbahn教授发展起来的。由于在光电子能谱的理论和技术上的重大贡献，1981年，Kai Siegbahn获得了诺贝尔物理奖。三十多年的来，X射线光电子能谱无论在理论上和实验技术上都已获得了长足的发展。XPS已从刚开始主要用来对化学元素的定性分析，业已发展为表面元素定性、半定量分析及元素化学价态分析的重要手段。XPS的研究领域也不再局限于传统的化学分析，而扩展到现代迅猛发展的材料学科。目前该分析方法在日常表面分析工作中的份额约50%，是一种最主要的表面分析工具。 在XPS谱仪技术发展方面也取得了巨大的进展。在X射线源上，已从原来的激发能固定的射线源发展到利用同步辐射获得X射线能量单色化并连续可调的激发源；传统的固定式X射线源也发展到电子束扫描金属靶所产生的可扫描式X射线源；X射线的束斑直径也实现了微型化，最小的束斑直径已能达到6μm大小, 使得XPS在微区分析上的应用得到了大幅度的加强。图像XPS技术的发展，大大促进了XPS在新材料研究上的应用。在谱仪的能量分析检测器方面，也从传统的单通道电子倍增器检测器发展到位置灵敏检测器和多通道检测器，使得检测灵敏度获得了大幅度的提高。计算机系统的广泛采用，使得采样速度和谱图的解析能力也有了很大的提高。 由于XPS具有很高的表面灵敏度，适合于有关涉及到表面元素定性和定量分析方面的应用，同样也可以应用于元素化学价态的研究。此外，配合离子束剥离技术和变角XPS技术，还可以进行薄膜材料的深度分析和界面分析。因此，XPS 方法可广泛应用于化学化工，材料，机械，电子材料等领域。 18.2 方法原理 X射线光电子能谱基于光电离作用，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，使得该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，变成自由的光电子，而原子本身则变成一个激发态的离子。在光电离过程中，固体物质的结合能可以用下面的方程表示： E k = hν- E b - φs （18.1）
能谱仪EDS(Energy Dispersive Spectrometer)是电子显微镜（扫描电镜、透射电镜）的重要附属配套仪器，结合电子显微镜，能够在1-3分钟之内对材料的微观区域的元素分布进行定性定量分析。原理：利用不同元素的X射线光子特征能量不同进行成分分析。 与WDS(Wave Dispersive Spectrometer)波普仪相比具有以下优缺点：优点: （1）能谱仪探测X射线的效率高。 （2）在同一时间对分析点内所有元素X射线光子的能量进行测定和计数， 在几分钟内可得到定性分析结果，而波谱仪只能逐个测量每种元素特征波长。 （3）结构简单，稳定性和重现性都很好 （4）不必聚焦，对样品表面无特殊要求，适于粗糙表面分析。X射线光电子能谱分析(XPS,X-ray photoelectron spectroscopy)测试的是物体表面10纳米左右的物质的价态和元素含量，而EDS 不能测价态，且测试的深度为几十纳米到几微米，基本上只能定性分析，不好做定量分析表面的元素含量。 其主要应用： XPS的原理：待测物受X光照射后内部电子吸收光能而脱离待测物表面(光电子)，透过对光电子能量的分析可了解待测物组成,XPS主要应用是测定电子的结合能来实现对表面元素的定性分析，包括价
态。XPS（X射线光电子能谱）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）。 1，元素的定性分析。可以根据能谱图中出现的特征谱线的位置鉴定除H、He以外的所有元素。 2，元素的定量分析。根据能谱图中光电子谱线强度（光电子峰的面积）反应原子的含量或相对浓度。 3，固体表面分析。包括表面的化学组成或元素组成，原子价态，表面能态分布，测定表面电子的电子云分布和能级结构等。 4，化合物的结构。可以对内层电子结合能的化学位移精确测量，提供化学键和电荷分布方面的信息。 5，分子生物学中的应用。Ex：利用XPS鉴定维生素B12中的少量的Co。 X射线荧光光谱分析(X Ray Fluorescence)
透射电子显微镜（TEM） 原理：由电子枪发射出来的电子束，在真空通道中沿着镜体光轴穿越聚光镜，通过聚光镜将之会聚成一束尖细、明亮而又均匀的光斑，照射在样品室内的样品上；透过样品后的电子束携带有样品内部的结构信息，样品内致密处透过的电子量少，稀疏处透过的电子量多；经过物镜的会聚调焦和初级放大后，电子束进入下级的中间透镜和投影镜进行综合放大成像，最终被放大了的电子影像投射在观察室内的荧光屏板上；荧光屏将电子影像转化为可见光影像以供使用者观察。 应用：分析样品内部结构信息 信号：透射电子 构造：照明系统、成像系统、记录系统、真空系统和电器系统。 选区电子衍射：通过在物镜像平面上插入选区光栏实现，其作用如同在样品所在平面内插入一虚光栏，使虚光栏孔以外的照明电子束被挡掉，当电镜在成像模式时，中间镜的物品面与像镜的物平面重合，插入选区光栏便可选择感兴趣的区域。 样品制备 要求：对电子束透明，厚度控制在100~200nm；样品具有代表性，能反应材料的真实特征。 方法：复型、电解双喷、离子薄化 成像操作 明成像：选用直射电子成像；暗成像：选用散射电子成像。 像衬度：图像上，不同区域间明暗程度的差别，投射电镜的来源于样品对入射电子束的散射。 质厚衬度：非晶样品透射电子显微图像衬度是由于样品不同微区间存在的原子序数或厚度的差异而形成的，其本质上是一种散射吸收衬度。 透射电镜衍射衬度：由样品底表面不同部位的衍射束强度存在差异造成。 扫描电子显微镜（SEM） 原理：光栅扫描，逐点成像。利用细聚焦电子束在样品表面逐行扫描，每一物像点都会激发出带有样品表面形貌信息的信号（如二次电子等），经过收集放大转换成电讯号，得到反映试样表面形貌的二次电子像。 应用：样品表面形貌分析,比如，样品端口形貌。 信号：二次电子 像衬原理 ?像的衬度就是像的各部分(即各像元)强度相对于其平均强度的变化。 ?SEM可以通过样品上方的电子检测器检测到具有不同能量的信号电子有背散射电子、二次电子、吸收电子、俄歇电子等。?扫描电镜像的衬度来源有三个方面：a)由试样本身性质（表面凸凹不平、成分差别、位向差异表面电位分布）；b)信号本身性质（二次电子、背散射电子、吸收电子）；c)对信号的人工处理 二次电子像衬度及特点 二次电子：在单电子激发过程中，被入射电子轰击出来的核外电子。 二次电子像的衬度分类 （1)形貌衬度；(2)成分衬度；(3)电压衬度；(4)核电衬度 二次电子像衬度的特点： 立体感强；最小衬度。 背散射电子：是被固体样品中的原子核反弹回来的一部分入射电子，其中包括弹性背散射电子和非弹性背散射电子 背散射电子形貌衬度特点（与二次电子形貌像的区别） 由于在较大的作用体积内激发出，分辨率远比二次电子低； 试描述韧窝断口、解理断口和沿晶断口的特点及其断口形貌衬度图像特点 a.韧窝短口：在拉伸试验时发生。断裂前有明显的塑性变形，断裂后断口上有许多韧 窝（微孔坑），断口宏观形貌为纤维状。韧窝短口是韧性穿晶断裂。 图像特点：韧窝周边形成塑性变形程度较大的突起撕裂棱，故韧窝边缘类似尖棱，亮度
实验6 电子探针（能谱仪）结构原理及分析方法 一、实验目的与任务 1) 结合电子探针仪实物，介绍其结构特点和工作原理，加深对电子探针的了解。 2)选用合适的样品，通过实际操作演示，以了解电子探针分析方法及其应用。 二、电子探针的结构特点及原理 电子探针X射线显微分析仪(简称电子探针)利用约1Pm的细焦电子束，在样品表层微区内激发元素的特征X射线，根据特征X射线的波长和强度，进行微区化学成分定性或定量分析。电子探针的光学系统、真空系统等部分与扫描电镜基本相同，通常也配有二次电子和背散射电子信号检测器，同时兼有组织形貌和微区成分分析两方面的功能。电子探针的构成除了与扫描电镜结构相似的主机系统以外，还主要包括分光系统、检测系统等部分。本实验这部分内容将参照第十四章，并结合实验室现有的电子探针，简要介绍与X射线信号检测有关部分的结构和原理。 三、实验方法及操作步骤 电子探针有三种基本工作方式：点分析用于选定点的全谱定性分析或定量分析，以及对其中所含元素进行定量分析；线分析用于显示元素沿选定直线方向上的浓度变化；面分析用于观察元素在选定微区内浓度分布。 1．实验条件 (1) 样品样品表面要求平整，必须进行抛光；样品应具有良好的导电性，对于不导电的样品，表面需喷镀一层不含分析元素的薄膜。实验时要准确调整样品的高度，使样品分析表面位于分光谱仪聚焦圆的圆周上。 (2) 加速电压电子探针电子枪的加速电压一般为3～50kV，分析过程中加速电压的选择应考虑待分析元素及其谱线的类别。原则上，加速电压一定要大于被分析元素的临界激发电压，一般选择加速电压为分析元素临界激发电压的2～3倍。若加速电压选择过高，导致电子束在样品深度方向和侧向的扩展增加，使X射线激发体积增大，空间分辨率下降。同时过高的加速电压将使背底强度增大，影响微量元素的分析精度。 (3) 电子束流特征X射线的强度与入射电子束流成线性关系。为提高X射线信号强
电子能谱仪的主要构造部分 电子能谱仪的主要构造部分电子能谱仪通常由激发源（X射线枪和电子枪）、离子枪、样品室、电子能量分析器、检测器和真空系统组成。XPS的激发源为X射线枪，AES的激发源为电子枪，除此之外其它部分相同。样品室样品室可同时放置几个样品，既可以对样品进行多种分析，又可以对样品进行加热、 冷却、蒸镀和刻腐等。并且，依靠真空闭锁装置，可以使得在换样过程中对真 空破坏不大。X射线枪X射线枪是X光电子能谱仪（XPS）的激发源。XPS 用X射线枪的靶极材料为镁和铝，产生的MgKα和AlKα射线，经晶体分光后照射样品，激发产生光电子。MgKα能量为 1253.6ev，AlKα能量为1486.6eV，分光后的谱线宽度为0.2-0.3eV。电子枪电子枪是俄歇电子能谱仪（AES）的激发源。由阴极产生的电子束经聚焦后 成为很小的电子束斑打在样品上，激发产生俄歇电子。电子枪又分为固定式和 扫描式两种，扫描式电子枪的电子束在偏转电极控制下可以在样品上扫描，电 子束斑直径大约5μm，这种电子能谱仪又叫俄歇探针，利用俄歇探针可以 进行固体表面元素分析。检测器电子能谱仪的检测器多使用单通道电子倍增器，由于串级碰撞作用，电子打到倍增器后可以有106-108的增益，在倍增器末端输出很强的脉冲，脉冲放大后经多道分析器和计算机处理并显示。真空系统电 子能谱仪需要超高真空。因为，电子能谱仪是一种表面分析仪器，如果真空度 没有足够高，清洁的样品表面会很快被残余气体分子所覆盖，这样就不能得到 正确的分析结果；另外，广州市骏凯电子科技有限公司光电子信号一般很弱， 光电子能量也很低，过多的残余气体分子与光电子碰撞，可能使得光电子得不 到检测。因此，电子能谱仪要求10-7-10-8pa的真空度，为了达到这么高的真 空度，电子能谱仪的真空系统由机械泵、分子涡轮泵、离子溅射泵和钛升华泵
俄歇电子能谱分析 一、俄歇电子能谱分析的概况 与X射线光电子能谱（XPS）一样，俄歇电子能谱（AES）也可以分析除氢氦以外的所有元素，现已发展成为表面元素定性、半定量分析、元素深度分布分析和微区分析的重要手段。三十多年的来，俄歇电子能谱无论在理论上和实验技术上都已获得了长足的发展。俄歇电子能谱的应用领域已不再局限于传统的金属和合金，而扩展到现代迅猛发展的纳米薄膜技术和微电子技术，并大力推动了这些新兴学科的发展。目前AES分析技术已发展成为一种最主要的表面分析工具。在俄歇电子能谱仪的技术方面也取得了巨大的进展。在真空系统方面已淘汰了会产生油污染的油扩散泵系统，而采用基本无有机物污染的分子泵和离子泵系统，分析室的极限真空也从10-8Pa提高到10-9Pa量级。在电子束激发源方面，已完全淘汰了钨灯丝，发展到使用六硼化铼灯丝和肖特基场发射电子源，使得电子束的亮度，能量分辨率和空间分辨率都有了大幅度的提高。现在电子束的最小束斑直径可以达到20nm，使得AES的微区分析能力和图象分辨率都得到了很大的提高。AES具有很高的表面灵敏度，其检测极限约为10-3原子单层，其采样深度为1～2nm，比XPS还要浅。更适合于表面元素定性和定量分析，同样也可以应用于表面元素化学价态的研究。配合离子束剥离技术，AES还具有很强的深度分析和界面分析能力。其深度分析的速度比XPS的要快得多，深度分析的深度分辨率也比XPS的深度分析高得多。常用来进行薄膜材料的深度剖析和界面分析。此外，AES 还可以用来进行微区分析，且由于电子束束斑非常小，具有很高的空间分别率。可以进行扫描和微区上进行元素的选点分析，线扫描分析和面分布分析。因此AES方法在材料、机械、微电子等领域具有广泛应用，尤其是纳米薄膜材料领域。 二、基本原理 俄歇电子能谱的原理比较复杂，涉及到原子轨道上三个电子的跃迁过程。当X射线或电子束激发出原子内层电子后，在原子的内层轨道上产生一个空穴，形成了激发态正离子。在这激发态离子的退激发过程中，外层轨道的电子可以向该空穴跃迁并释放出能量，而这种释放出的能量又激发了同一轨道层或更外层轨道的电子被电离，并逃离样品表面，这种出射电子就是俄歇电子。其俄歇跃迁过程
X射线能谱仪的原理介绍 在许多材料的研究与应用中，需要用到一些特殊的仪器来对各种材料从成分和结构等方面进行分析研究。 其中，X射线能谱仪(XPS)就是常用仪器之一。下面详细介绍一下X射线能谱仪的基本原理、结构、优缺点及应用。 X射线光电子能谱(XPS)也被称作化学分析用电子能谱(ESCA)。该方法是在六十年代由瑞典科学家KaiSiegbahn教授发展起来的。由于在光电子能谱的理论和技术上的重大贡献，1981年，KaiSiegbahn获得了诺贝尔物理奖。 三十多年的来，X射线光电子能谱无论在理论上和实验技术上都已获得了长足的发展。XPS已从刚开始主要用来对化学元素的定性分析，已发展为表面元素定性、半定量分析及元素化学价态分析的重要手段。 XPS的研究领域也不再局限于传统的化学分析，而扩展到现代迅猛发展的材料学科。目前该分析方法在日常表面分析工作中的份额约50%，是一种主要的表面分析工具。 基本原理 X射线能谱仪为扫描电镜附件，其原理为电子枪发射的高能电子由电子光学系统中的两级电磁透镜聚焦成很细的电子束来激发样品室中的样品，从而产生背散射电子，二次电子、俄歇电子、吸收电子、透射电子、X射线和阴极荧光等多种信息。 若X射线光子由Si(Li)探测器接收后给出电脉冲讯号，由于X射线光子能量不同(对某一元素能量为一不变量)经过放大整形后送人多道脉冲分析器，通过显象管就可
以观察按照特征X射线能量展开的图谱。一定能量上的图谱表示一定元素，图谱上峰的高低反映样品中元素的含量(量子的数目)这就是X射线能谱仪的基本原理。 结构 能谱仪由半导体探测器、前置放大器和多道脉冲分析器组成。它是利用X射线光子的能量来进行元素分析的。 X射线光子有锂漂移硅Si(Li)探测器接收后给出电脉冲信号，该信号的幅度随X 射线光子的能量不同而不同。 脉冲信号再经放大器放大整形后，送入多道脉冲高度分析器，然后根据X射线光子的能量和强度区分样品的种类和高度。 X射线能谱仪的优点与缺点 1、X射线能谱仪的优点 (1)能快速、同时对除H和He以外的所有元素进行元素定性、定量分析，几分钟内就可完成；可以直接测定来自样品单个能级光电发射电子的能量分布，且直接得到电子能级结构的信息。 (2)对试样与探测器的几何位置要求低：对W.D的要求不是很严格；可以在低倍率下获得X射线扫描、面分布结果。 (3)能谱所需探针电流小，是一种无损分析。对电子束照射后易损伤的试样，例如生物试样、快离子试样、玻璃等损伤小。 (4)是一种高灵敏超微量表面分析技术。分析所需试样约8-10g即可，灵敏度高达10-18g，样品分析深度约2nm。
第十四章X-射线光电子能谱法 14. 1引言 X-射线光电子谱仪（X-ray Photoelectron Spectroscopy,简称为XPS）,经常又被称为化学分析用电子谱（Electron Spectroscopy for Chemical Analysis,简称为 ESCA）,是一种最主要的表面分析工具。自19世纪60年代第一台商品化的仪器开始，已经成为许多材料实验室的必不可少的成熟的表征工具。XPS发展到今天，除了常规XPS外，还出现了包含有Mono XPS （Monochromated XPS,单色化XPS, X射线源已从原来的激发能固定的射线源发展到利用同步辐射获得X射线能量单色化并连续可调的激发源），SAXPS （ Small Area XPS or Selected Area XPS, 小面积或选区XPS, X射线的束斑直径微型化到6um）和iXPS （imaging XPS,成像XPS）的现代XPS。目前，世界首台能量分辨率优于1毫电子伏特的超高分辨光电子能谱仪（通常能量分辨率低于1毫电子伏特）在中日科学家的共同努力下已经研制成功，可以观察到化合物的超导电子态。现代XPS拓展YXPS的内容和应用。 XPS是当代谱学领域中最活跃的分支之一，它除了可以根据测得的电子结合能确定样品的化学成份外，XPS最重要的应用在于确定元素的化合状态。XPS可以分析导体、半导体甚至绝缘体表面的价态，这也是XPS的一大特色，是区别于其它表面分析方法的主要特点。此外，配合离子束剥离技术和变角XPS技术，还可以进行薄膜材料的深度分析和界面分析。XPS表面分析的优点和特点可以总结如下： ⑴固体样品用量小，不需要进行样品前处理，从而避免引入或丢失元素所造成的错误分析 ⑵表面灵敏度高，一般信息采样深度小于10nm ⑶分析速度快，可多元素同时测定 ⑷可以给出原子序数3-92的元素信息，以获得元素成分分析 ⑸可以给出元素化学态信息，进而可以分析出元素的化学态或官能团 ⑹样品不受导体、半导体、绝缘体的限制等 ⑺是非破坏性分析方法。结合离子溅射，可作深度剖析 目前，XPS主要用于金属、无机材料、催化剂、聚合物、涂层材料、纳米材料、矿石等各种材料的研究，以及腐蚀、摩擦、润滑、粘接、催化、包覆、氧化等过程的研究，也可以用于机 械零件及电子元器件的失效分析，材料表面污染物分析等。 14.2基本原理 XPS方法的理论基础是爱因斯坦光电定律。用一束具有一定能量的X射线照射固体样品，入射光子与样品相互作用，光子被吸收而将其能量转移给原子的某一壳层上被束缚的电子，此时电子把所得能量的一部分用来克服结合能和功函数，余下的能量作为它的动能而发射出来，成为光电子，这个过程就是光电效应。 该过程可用下式表示： h Y =E k+E b+E r （14.1） 式中： hY：X光子的能量（h为普朗克常数，丫为光的频率）；
电子能谱仪在材料分析中的应用电子能谱仪（Electron Energy Analyzer）是一种广泛应用于材料科 学和实验物理学领域的重要仪器。它通过测量材料中电子能谱的特征 来获得有关材料性质的信息。本文将探讨电子能谱仪在材料分析中的 应用，并介绍其原理和技术细节。 一、电子能谱仪的原理 电子能谱仪基于电子的动能与能量的关系，通过测量材料中电子的 能量来获取材料的化学成分、电子结构以及表面形貌等信息。它主要 由光源、入射系统、分析系统和检测系统等组成。 光源产生能量适中的电子束，并经过光学调节进入入射系统，入射 系统将电子束聚焦并瞄准样品表面。当电子束与样品表面相互作用时，部分电子会被样品吸收、散射或离开样品表面，这些电子的动能将会 发生变化。 分析系统是电子能谱仪的核心部分，它通过磁场或电场对电子束进 行能量选择和转向。电子进入分析系统后，经过能量选择后的电子将 被聚焦并投射到检测系统。 检测系统根据电子的能量将其转换为电信号，并通过放大和处理后 送入数据采集系统。 二、电子能谱仪在化学分析中的应用 1. 化学成分分析
电子能谱仪可以通过测量样品中不同元素的特征能谱来确定其化学成分。通过分析能谱中的峰位位置和强度，可以确定样品中元素的含量和相对比例。 2. 表面形貌分析 电子能谱仪可以测量样品表面的电子能谱，从而获得关于样品表面形貌的信息。通过分析电子的能量和角度分布，可以揭示样品表面的形貌特征，例如晶面结构和表面形貌的变化等。 3. 电子结构研究 电子能谱仪可以通过测量不同能级的电子能谱来研究材料中的电子结构。通过分析能谱的峰位位置、强度和形状等特征，可以揭示材料中的能带结构、能级分布以及电子态密度等信息。 4. 化学反应分析 电子能谱仪可以通过测量在化学反应中产生的电子能谱来研究反应过程和物种之间的相互作用。通过监测反应过程中电子能谱的变化，可以揭示反应物的转化情况、反应动力学和反应机制等信息。 三、电子能谱仪的发展趋势 随着科学技术的不断发展，电子能谱仪也在不断更新和完善。目前的电子能谱仪已经具备高能辨析度、高灵敏度和大区域扫描能力等特点，并且可以与其他表征技术相结合，如扫描电镜、透射电镜等。
光电子能谱分析范文 光电子能谱分析是一种研究材料表面电子能级和电子结构的表征技术。它通过测量材料表面的光电子发射来获得电子能级的信息，从而了解材料 的化学成分、状态和电子结构。光电子能谱分析的应用范围非常广泛，在 材料科学、表面化学、电子器件等领域都有重要的应用。本文将介绍光电 子能谱分析的基本原理、仪器设备和应用实例。 光电子能谱分析的基本原理是利用光子对材料表面的电子进行激发， 进而产生光电子。当光照射到材料表面时，光子与材料中的原子或分子发 生相互作用，激发出电子。这些激发的电子会从材料中逸出，形成光电子 发射。根据能量守恒定律，逸出的光电子的能量等于入射光子的能量减去 电子在材料中的束缚能。 光电子能谱分析常用的仪器设备是光电子能谱仪。光电子能谱仪主要 包括两个部分，即光源和能谱仪。光源可以是连续光源或脉冲激光器。连 续光源通常使用卤素灯、氙灯或氙弧光源，可以产生广谱的光子。脉冲激 光器可以提供高能量、短脉冲的激发光子，适用于高分辨率的实验研究。 能谱仪主要包括光学透镜、光束分析器和能量分析器。光学透镜用于聚焦 光束，将光子共焦到材料表面。光束分析器是用来选择特定能量的光子， 使其可以与材料相互作用。能量分析器则用于测量逸出的光电子能量，从 而得到电子能谱。 光电子能谱分析的应用非常广泛。在材料科学领域，光电子能谱分析 可以用来研究纳米材料、薄膜材料、晶体材料等的表面电子结构和界面反应。例如，可以通过测量光电子能谱来探究纳米颗粒的表面离子态、电子 缺陷以及表面和体相之间的电子转移等现象。在表面化学领域，光电子能 谱分析可以用来表征催化剂、电极材料、气体吸附等表面反应。例如，可
能谱仪原理 能谱仪（Spectrometer）是一种通过测量物质或辐射发射、吸收、散射经过分析元件 后的光谱来分析物质或能量的仪器。能谱仪可以用于化学、物理、地球物理学等领域的研究，广泛应用于分析材料的成分、性能、结构以及同位素、核素、宇宙射线等的研究。本 文将对能谱仪原理进行详细的介绍。 一、光谱的基本原理 光谱是指将光按照波长或频率分解为不同的组成部分的过程。可见光谱是人眼可见的 光线中的折射或反射后在色散系统中被分解的谱线。光谱分为线谱、带谱和连续谱。线谱 是由一些锐利的亮线组成的谱线，如氢光谱中的红线、蓝线等；带谱是由一些比较宽的和 不一定锐利的谱带组成的谱线，如分子带谱；连续谱是由一个范围内的所有波长和频率的 光组成的谱线，如白炽灯的光谱。 光的波长和频率之间有一个线性关系：λ=c/v，其中λ为光的波长，v为光的频率， c是光速。当光线从一种介质向另一种介质传播时，它们的波长λ和频率v都会发生改变，这就是所谓的折射。折射是由于不同介质中光的速度不同，光线通过介质时受到速度的限 制而发生改变。 能谱仪是一种通过测量物质或辐射发射或吸收经过分析元件（例如光栅、衍射晶体等）后的光谱来分析物质成分或辐射能量的仪器。能谱仪主要由三部分组成：能量选择部分、 信号检测部分和数据分析部分。 1. 能量选择部分 能量选择部分主要作用是将某一特定波长或频率的光线从其他光线中分离出来，以便 进行分析和检测。其中包含一些元件，如衍射晶体、光栅等，这些元件可以使光线沿不同 的方向散射。而由于不同方向的光在经过分析元件之后有所区别，所以可以通过调整元件 的位置来选择特定的光线。 2. 信号检测部分 能量选择部分所选出的光线被转化成电信号并被送到信号检测部分。这个部分主要由 光电倍增管、电子多道分析器、数字量测器等组成。光电倍增管使用光电效应将光子转化 为电子并放大信号，多道分析器将不同能区段的信号分离出来并进行计数，数字量测器将 计数信号转化为电信号进行数字化处理。 3. 数据分析部分
X射线光电子能谱的基本原理 X射线光电子能谱（X-ray photoelectron spectroscopy，简称XPS）是一种表面分析技术，通过照射样品表面的X射线，使样品表面的电子发生光电效应，从而 获得各种元素的内层电子能级的结构和价态信息。XPS技术被广泛应用于材料科学、化学、表面科学、物理学和生物医学等领域。 光电效应的基本原理 光电效应是物理学中的一种重要现象，指当光线照射到金属表面时，能使金属 中的电子逃脱并进入外部空间的现象。光电效应的基本原理是光子与金属中的电子相互作用，使电子获得足够的能量，从而脱离金属原子，进入外部空间。比较重要的参数是电子能量，由释放电子的金属原子确定。这个电子的能量由激发它的光子的能量决定。光电效应通常是一个二次过程，即一个光子与一个电子相互作用并将一个新的电子放在原子内的空穴中。 XPS的实验原理 当X射线照射金属或化合物表面时，会引发光电子发射，可以在金属表面附近 捕获这些光电子，用光电子能谱仪对其进行测量。光电子能谱仪的核心部分是一个能够分辨光电子能量的光电子分光仪，比较常见的是球差能量分析仪。XPS的实验过程包括： 1.光源辐射产生X射线 2.X射线与样品表面相互作用，使表面电子发生光电效应 3.发射的光电子被光电子能谱仪探测器捕获，并记录每个光电子的能量 和出射角度 4.通过对光电子能谱的分析，可以得到样品表面元素的种类、价态、化 学环境等信息。 XPS的应用 XPS技术可以对表面材料的化学组成、化学键状态、电子结构等进行详细的分 析和表征，具有以下特点： 1.XPS技术精确度高，检测灵敏度高，可以检测到表面上非常小的化学 成分。 2.XPS技术对于化学键的状态有很好的识别能力，可以判断出单键、双 键、三键的存在。 3.XPS技术可以提供非常严谨的原子结构和电子排布方案，为材料、化 学和生物界的研究提供了不可缺少的信息。
电子探针分析方法结构与工作原理 电子探针 所谓电子探针是指用聚焦很细的电子束照射要检测的样品表面，用X射线分光谱仪测量其产生的特征X射线的波长与强度。由于电子束照射面积很小，因而相应的X射线特征谱线将反映出该微小区域内的元素种类及其含 量。 显然，假如将电子放大成像与X射线衍射分析结合起来，就能将所测微区的形状与物相分析对应起来(微区成分分析)，这是电子探针的最大优点。 电子探针分析方法 子探针分析方法 利用电子探针分析方法能够探知材料样品的化学构成与各元素的重量百分数。分析前要根据试验目的制备样品，样品表面要清洁。用波谱仪分析样品时要求样品平整，否则会降低测得的X射线强度。 一定性分析 1 点分析 用于测定样品上某个指定点的化学成分。 下图是用能谱仪得到的某钢定点分析结果。能谱仪中的多道分析器可使样品中所有元素的特征X射线信号同时检测与显示。不像波谱仪那样要做全部谱扫描，甚至还要更换分光晶体。2 线分析
用于测定某种元素沿给定直线分布的情况。方法是将X射线谱仪（波谱仪或者能谱仪）固定在所要测量的某元素特征X射线信号（波长或者能量）的位置上，把电子束沿着指定的方向做直线轨迹扫描，便可得到该元素沿直线特征X射线强度的变化，从而反映了该元素沿直线的浓度分布情况。改变谱仪的位置，便可得到另一元素的X射线强度分布。下图为50CrNiMo 钢中夹杂Al2O3的线分析像。可见，在Al2O3夹杂存在的地方，Al的X 射线峰较强。 3 面分析 用于测定某种元素的面分布情况。方法是将X射线谱仪固定在所要测量的某元素特征X射线信号的位置上，电子束在样品表面做光栅扫描，如今在荧光屏上便可看到该元素的面分布图像。显像管的亮度由试样给出的X射线强度调制。图像中的亮区表示这种元素的含量较高。 下图为34CrNi3Mo钢中MnS夹杂物的能谱面分析图像。 （a）S的面分析像(b) Mn的面分析像 二定量分析 定量分析时，先测得试样中Y元素的特征X射线强度IY，再在同一条件
第二十三章X 射线光电子能谱 1954年以瑞典Siegbahn教授为首的研究小组观测光峰现象，不久又发现了原子内层电子 能级的化学位移效应，于是提出了ESCA（化学分析电子光谱学）这一概念。由于这种方法使用了铝、镁靶材发射的软X射线，故也称为X-光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectroscopy）。X光电子能谱分析技术已成为表面分析中的常规分析技术，目前在催化化学、新材料研制、微电子、陶瓷材料等方面得到了广泛的应用。 23.1 基本原理 固体表面分析，特别是对固体材料的分析和元素化学价态分析，已发展为一种常用的仪器分析方法。目前常用的表面成分分析方法有：X射线光电子能谱（XPS）,俄歇电子能谱（AES），静态二次离子质谱（SIMS）和离子散射谱（ISS）。AES分析主要应用于物理方面的固体材料（导电材料）的研究，而XPS的应用面则广泛得多，更适合于化学领域的研究。SIMS 和ISS由于定量效果较差，在常规表面分析中的应用相对较少。但近年随着飞行时间二次离子质谱（TOF- SIMS ）的发展，使得质谱在表面分析上的应用也逐渐增加。 X射线光电子能谱最初是由瑞典科学家K.Siegbahn等经过约20年的努力而建立起来的， 因在化学领域的广泛应用，被称为化学分析用电子能谱（ESCA）。由于最初的光源采用了 铝、镁等的特性软X射线，该技术又称为X射线光电子能谱（XPS ）。1962年，英国科学家 D.W.Turner等建造出以真空紫外光作为光源的光电子能谱仪，在分析分子内价电子的状态方 面获得了巨大成功，同时又用于固体价带的研究，与X射线光电子能谱相对照，该方法称为 紫外光电子能谱（UPS） XPS的原理是基于光的电离作用。当一束光子辐射到样品表面时，样品中某一元素的原 子轨道上的电子吸收了光子的能量，使得该电子脱离原子的束缚，以一定的动能从原子内部发射出来，成为自由电子，而原子本身则变成处于激发态的离子，如图23-1所示。在光电离 过程中，固体物质的结合能可用下面的方程式表示： E b = h Y E k -艇 23-1) 式中：E k为射出的光子的动能；h为X射线源的能量；E b为特定原子轨道上电子的电离能或结合能（电子的结合能是指原子中某个轨道上的电子跃迁到表面Fermi能级（费米能级）所需 要的能量）；也为谱仪的功函数。 由于也是由谱仪的材料和状态决定，对同一台谱仪来说是一个常数，与样品无关，其平均值为3 eV ~4eV。因此，（1）式可简化为： E b =h y E k' （23-2） 由于E k可以用能谱仪的能量分析器检出，根据式（23-2）就可以知道E b。在XPS分析中, 由于X射线源的能量较高，不仅能激发出原子轨道中的价电子，还可以激发出内层轨道电子，所射出光子的能量仅与入射光子的能量及原子轨道有关。因此，对于特定的单色激发光源及 特定的原子轨道，其光电子的能量是特征性的。当固定激发光源能量时，其光子的能量仅与元素的种类和所电离激发的原子轨道有关，对于同一种元素的原子，不同轨道上的电子的结合能不同。所以可用光电子的结合能来确定元素种类。图23-1表示固体材料表面受X射线激 发后的光电离过程[1]。
能谱仪实验报告 能谱仪实验报告 一、实验目的 1.了解能谱仪的构造、工作原理和基本参数。 2.掌握Geiger-Muller计数器的基本工作原理。 3.利用能谱仪研究放射性样品的辐射性质和核能级结构。 4.掌握能谱的测量方法和测量数据的处理方法。 二、实验原理 1.能谱仪的构造 (1)光电倍增管 光电倍增管由光电阴极、几个极靴、若干个百叶窗和若干个二次倍增极等组成。 光电阴极：将光子能量转化为电子能量。 极靴：增强电子输出。 百叶窗：阻挡光电子。
二次倍增极：将收集到的电子倍增。 (2)能量分析器 能量分析器由若干个圆筒形电极等构成，其中一个圆筒形电极充当入口狭缝，一个圆筒形电极充当出口狭缝，其余几个圆筒形电极连接不同高压。 (3)单道分析器 单道分析器由一个多路开关和一个计数器构成，将接收到的信号输入到计数器中。 2.工作原理 当入射射线穿过入口狭缝后，在强电场的作用下，它们会将电离气体分子电离，产生电离电子，电离电子在电场的作用下形成一个电流，电流和粒子的能量有关，经过放大、多次测量和重复，得到一个精确的能量谱。 3.基本参数 (1)能量分辨本领：能谱仪分辨测量出的辐射能量中的能级能量峰值与峰值之间的分辨能力，常用能量分辨本领来评价能谱仪的性能。 (2)计数效率：表示利用能谱仪在一定时间内所测得的有效计数数与实际产生的辐射剂量之比，在能谱测量中计数效率是一
个非常重要的参数。 (3)峰位：表示能量分辨本领，也是能谱中不同能量发射峰的位置。 (4)全能位置：获得有效计数的最高能量。 (5)平均扫描时间：截取一个完整的能谱所需的时间，其值应该比能谱内容时间小很多。 三、实验装置与实验步骤 1.实验装置 能谱仪主要由光电倍增管、能量分析器、单道分析器、高压电源、样品架等组成。实验装置如下图所示：  2.实验步骤 (1)实验前的准备 确认仪器连接正确，并调整得到最佳工作状态。将样品架固定到能谱仪的样品台上。注意样品架一般固定于负电高压极，故样品应放置在样品架靠近高压端的一面。 调整入口和出口狭缝的大小，以适应不同的样品。