X射线光电子能谱学

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X射线光电子能谱学(XPS)是一种基于光电效应的表面敏感定量光谱技术,可以识别材料中存在的元素(元素组成)或覆盖其表面的元素,以及它们的化学状态,并且材料中电子态的整体电子结构和密度。XPS是一种强大的测量技术,因为它不仅可以显示存在的元素,还可以显示它们与哪些其他元素结合。该技术可用于对整个表面的元素成分进行线性分析,或与离子束蚀刻配合使用时进行深度分析。它通常用于研究材料在原始状态下或在裂解、...

X射线光电子能谱学

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X射线光电子能谱学(XPS)是一种基于光电效应的表面敏感定量光谱技术,可以识别材料中存在的元素(元素组成)或覆盖其表面的元素,以及它们的化学状态,并且 材料中电子态的整体电子结构和密度。 XPS 是一种强大的测量技术,因为它不仅可以显示存在的元素,还可以显示它们与哪些其他元素结合。 该技术可用于对整个表面的元素成分进行线性分析,或与离子蚀刻配合使用时进行深度分析。 它通常用于研究材料在原始状态下或在裂解、刮擦、暴露于热、反应性气体溶液、紫外线或离子注入期间的化学过程。

XPS 属于光电子能谱学家族,其中通过用 X 射线束照射材料获得电子布居谱。 化学状态是从动能和射出电子数的测量中推断出来的。 XPS 需要高真空(残余气体压力 p ~ 10−6 Pa)或超高真空(p < 10−7 Pa)条件,尽管当前的开发领域是环境压力 XPS,其中样品在压力下进行分析 几十毫巴。

当使用实验室 X 射线源时,XPS 可以轻松检测和氦以外的所有元素。 检测限在千分之几的范围内,但百万分之一 (ppm) 可以通过较长的收集时间和顶部表面的浓度来实现。

XPS 通常用于分析无机化合物金属合金半导体聚合物、元素、催化剂、玻璃陶瓷、油、纸张、油墨、木材植物部位、化妆品、牙齿、骨骼、医疗植入物、生物材料涂料、粘性油、胶水、离子改性材料等。 XPS 不太常规地用于分析水凝胶生物样品等水合形式的材料,方法是将它们在超纯环境中以水合状态冷冻,并在分析前让多层冰升华。

基础物理

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因为具有特定波长的 X 射线的能量是已知的(对于 Al Kα X 射线,Ephoton = 1486.7 eV),并且因为测量了发射电子的动能,所以每个发射电子的电子结合能可以 通过使用光电效应方程来确定

其中 Ebinding 是相对于化学势测得的电子结合能 (BE),Ephoton 是所使用的 X 射线光子的能量,Ekinetic 是仪器测得的电子动能,ϕ {\ displaystyle \phi } 是一个类似于功函数的术语,用于表示材料的特定表面,在实际测量中,由于接触电势,它包括仪器功函数的小修正。 这个方程本质上是一个能量守恒方程。 类似于功函数的项 ϕ {\displaystyle \phi } 可以被认为是一个可调节的仪器校正因子,它解释了光电子从主体发射并被主体吸收时放弃的几个 eV 动能 探测器。 它是一个常数,在实践中很少需要调整。

历史

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1887 年,海因里希·鲁道夫·赫兹 (Heinrich Rudolf Hertz) 发现但无法解释光电效应,后来在 1905 年被阿尔伯特·爱因斯坦 (Albert Einstein) 解释(1921 年诺贝尔物理学奖)。 爱因斯坦发表两年后,即 1907 年,P.D. Innes 使用伦琴管、亥姆霍兹线圈磁场半球(电子动能分析仪)和感光板进行实验,以记录作为速度函数的发射电子的宽带,实际上记录了xxx个 XPS 光谱。

X射线光电子能谱学

其他研究人员,包括 Henry Moseley、Rawlinson 和 Robinson,独立进行了各种实验来整理宽带中的细节。 Kai Siegbahn 和他在乌普萨拉(瑞典)的研究小组对设备进行了多项重大改进,并于 1954 年记录了xxx张裂解氯化钠 (NaCl) 的高能量分辨率 XPS 光谱,揭示了 XPS 的潜力。 几年后的 1967 年,Siegbahn 发表了对 XPS 的综合研究,使人们立即认识到 XPS 的实用性以及xxx个硬 X 射线光电子能实验,他将其称为化学分析电子能谱 (ESCA)。

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  1. X射线光电子能谱学
  2. 基础物理
  3. 历史

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