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xps基本原理、特点和常见问题(三)

发表时间:2021-04-16 08:58作者:宜沃检测

今天宜沃检测小编继续分享有关于XPS测试的常见问题,希望能帮到各位同学们!

①俄歇电子和荧光产生过程?

回:下图为X射线光电激发及其弛豫过程示意图。在XPS测试过程中,原子芯能级电子吸收X射线被电离,而相应的芯能级会留有空位,此时原子处于激发态会自发地发生弛豫,而退激发回到稳态。弛豫过程分为辐射弛豫和非辐射弛豫,前者发射出荧光,后者发射出俄歇电子。


XPS也会收集到俄歇电子,从而产生俄歇谱图。其中俄歇电子是多个电子参与的退激发过程产生的,在退激发过程中处于高能级的电子可以跃迁到这一空位同时释放能量,当释放的能量传递到另一层的一个电子,这个电子就可以脱离原子出射成为俄歇电子。例如KLL俄歇电子如下图所示:原子中一个K层电子被入射X射线激发成自由电子后在K层产生空位,L层的一个电子跃迁入K层填补空位,此时多余的能量被另一个L层电子吸收产生俄歇电子,相应的俄歇电子标记为KLL。俄歇电子的动能由参与此过程的能级所决定,与入射的光子能量无关,所以可以通过改变入射光子能量,从而调节俄歇电子在谱图中的结合能位置,避开谱图干扰。另外,俄歇电子也可以用于辅助鉴定化学态。


②:为什么p、d、f轨道都只会有两个裂分峰?

回:这是由于电子自旋-轨道偶合效应导致的,根据总量子数j(j=lL+Sl,S=±1/2)而使电子能级出现裂分。例如对于s轨道,j=1/2,对于p轨道,j=1/2和j=3/2。需要注意的是,对于p、d、f轨道的两个裂分峰的峰面积是存在固定的比例,如下图所示:



③:每种元素的特征谱峰一定吗?

回:除了H、He和少量放射性元素以外,元素周期表中的大多数元素都有相应的XPS特征谱峰,而且XPS谱峰具有元素“指纹效应”,可以用于鉴定元素的成分。同时原子外层电子结构变化会导致XPS特征谱峰出现有规律的化学位移,所以XPS可以通过观测化学位移,提供与化学态、分子结构或官能团相关的信息。需要注意的是,物种中含有多种组分,可能会存在特征谱峰重叠的问题,所以在判断元素成分和化学态的时候,除了关注特征谱峰外,也需要观察相应元素其他谱峰。


④:EDS探测深度比较深,不是表面的信息?

是的。这是由于两个实验技术的原理不同所导致的,如下图所示:因为XPS检测是出射的光电子,光电子的非弹性平均自由程较小,所以提供的是表面信息;而EDS检测的是出射的特征X射线,而特征X射线的穿透能力可以达到微米,所以提供的是信息深度是微米级别的。这两种实验技术提供互补的信息,可以帮助我们深入了解样品性质。


⑤:请问多重分裂峰产生的原因有哪些呢?多重分裂峰不太清楚,是每个元素都会产生吗?

回:原子外层电子是一个多电子体系,其中存在复杂的相互作用。当原子的价壳层拥有未配对的自旋电子时,即当体系的总角动量j不为零时,那么XPS激发出芯能级电子所形成的空位,会与价轨道未配对自旋电子发生耦合效应,使体系出现多于一个终态,也就是在谱图上出现多个谱峰,称作多重分裂。不是每个元素都产生多重分裂峰,通常稀土金属(4f轨道上有未成对电子存在)的4s能级表现有强的分裂,过渡金属(3d轨道上有未成对电子存在)的3s能级表现有强的分裂,例如Mn 3s。因此利用s能级的多重分裂现象可以研究分子中未成对电子的存在情况,同时帮助化学态鉴别。


⑥:谱峰重叠,怎么处理?

回:首先要判断是什么谱峰重叠在一起,可以有以下方法进行处理:

(a)如果是特征谱峰和俄歇谱峰发生重叠,建议更换X射线能量;

(b)如果是比较元素含量,可以选择测试元素的其他谱峰;

(c)进行解谱分析。


⑦:卫星峰是什么?对于卫星峰,我们有必要进行分峰分析么?它的相对位置的标准谱有么?

回:XPS谱图中,除了特征谱峰,还存在由于终态效应导致的卫星峰,例如shake up/off峰,这些谱峰也是非常重要,可以帮助鉴定化学态。是否分峰取决于实验需求,可以查找相关文献帮助确定解谱参数,例如对Co2p的解谱,可以参照这篇文献:Accurate peak fitting and subsequent quantitative composition analysis of the spectrum of Co2p obtained with Al Kα radiation: I: cobalt spine



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