电子能谱仪工作原理与应用

仪器介绍

电子能谱仪是利用光电效应测出光电子的动能及其数量的关系从而推算出样品表面各种元素含量的仪器。广泛应用于表面化学分析、分子结构、催化剂、新材料等研究领域。

仪器结构

电子能谱仪一般由超高真空系统、激发源（X射线光源、UV光源、电子枪）、电子能量分析器、检测器和数据系统，以及其他附件等构成。

1.超高真空系统

超高真空系统是进行现代表面分析及研究的主要部分。电子能谱仪的光源等激发源、样品室、分析室及探测器等都安装于超高真空中。而超高真空系统一般由多级组合泵来获得。

2.激发源

X射线的自然宽度对谱仪的分辨率影响很大，为了提高谱仪的分辨率就要使X射线单色化，大大减小X射线的谱线宽度。X射线的单色性越高，谱仪的能量分辨率也越高。

紫外光电子能谱仪中使用的高强度单色紫外线源常用稀有气体的放电共振灯提供。

电子枪的关键部件是电子源和用于电子束聚焦、整形和扫描的透镜组件。电子源可用热电离发射或场发射。

3.电子能量分析器

能量分析器用于在满足一定能量分辨率,角分辨率和灵敏度的要求下，析出某能量范围的电子，测量样品表面出射的电子能量分布。

4.检测器

由于电子能谱检测的电子流非常弱，现在一般采用电子倍增器来测量电子的数目。电子倍增器主要有单通道电子倍增器和多通道检测器两种类型。

5.数据系统

电子能谱分析涉及大量复杂的数据的采集、储存、分析和处理，数据系统由在线实时计算机和相应软件组成，它已成为现代电子能谱仪的一个基本部分。

工作原理

用某种激发源（如X射线或电子束）照射样品后，发生作用，从样品发射出电子（光电子或俄歇电子），测定其数目和能量，画出其强度按能量（动能或结合能）的分布图。从谱线的峰位、峰形和强度（即峰的面积或高度），便可判定样品表面的化学组成、化学态和分子结构等。

仪器特点

① 分析速度快。

② 灵敏度高，X射线收集立体角大。

③ 谱线重复性好。由于能谱仪没有运动部件，稳定性好，且没有聚焦要求，所以谱线峰值位置的重复性好且不存在失焦问题，适合于比较粗糙表面的分析工作。

④ 电子能谱仪有诸如能量分辨率低，峰背比低之类的缺点。并且该仪器的工作条件要求很严格。

常见分类应用

X射线电子能谱仪（XPS）

X射线光电子能谱以X射线为激发光源的光电子能谱，简称XPS或ESCA。

俄歇电子能谱仪（AES）

俄歇电子能谱仪作为一种最广泛使用的表面分析方法而显露头角,通过检测俄歇电子信号进行分析样品表面，是一种极表面（0-3nm）分析设备。

紫外光电子能谱仪（UPS）

紫外光电子能谱仪（UPS）以紫外线为激发光源的光电子能谱。

应用领域

探测样品表面元素组成

通过采集样品表面全谱图，经过能量校正后，根据谱图中各谱线的结合能位置与标准数据库对照，来确定各谱线代表的元素，从而确定样品表面组成。

元素价态分析

以全谱扫描结果为基础，确定相应元素窄谱扫描范围，并通过对窄谱进行分峰拟合，得到不同价态元素的谱线，进一步判断样品表面物质组成。

材料表面不同元素的半定量

根据各元素窄谱相对应的峰面积和灵敏度因子，可以计算出各元素的相对含量。

选区分析

利用XPS平行成像功能，探究样品表面化学状态的平面分布。

表面清洁和深度分析

用离子枪打击样品表面，可以将污染的表面打掉从而暴露出新的下表层，起到清洁样品表面的作用。通过采集清洁前后的谱图，判断样品污染前后的状况。同时还可通过连续刻蚀样品表面并采谱，探究样品表面组成随深度变化的情况。