PDF《第2章 电子能谱学基本原理》

第2章 电子能谱学基本原理 1.

原子能级及其表示 2. 原子的激发和电离 3. 光电效应 4. 俄歇效应 2.

1、原子能级及其表示 ? 我们知道物质是由原子、分子组成的,而原 子又是由原子核和围绕原子核作轨道运动的 电子组成的.电子的其轨道中运动的能量是 不连续的、量子化的. 电子在原子中的能量 和状态常用量子数来进行描述. ? 主量子数 n =1, 2, 3, 4, …… 可用字母符号K, L, M, N 等表示,以标记原子的主壳层,它是 能量的主要因素.角量子数 l =0, 1, 2, 3, …, (n-1),通常用 s, p, d, f 等符号表示,它决定 能量的次要因素.总角量子数 j,j=|l±s|,s 为电子自旋量子数,s =1/2.一个电子所处原 子中的能级可以用 n, l, j 三个量子数来标记 (nlj).如2p3/2, 3d5/2 ? 电子能谱测量的是材料表面出射的电子能量, 所以必需要有一些规范来描述所涉及到的每 一个轨道跃迁电子.XPS中所用的符号表示 与AES中的不同,XPS用所谓的光谱学符号 标记,而AES中俄歇电子则用X射线符号标 记. 表2-1:量子数、光谱学符号和X射线符号间的关系 量子数电子能级nljX射线符号 光谱学符号

1 0 1/2 K 1s1/2

2 0 1/2 L1 2s1/2

1 1/2 L2 2p1/2 3/2 L3 2p3/2

3 0 1/2 M1 3s1/2

1 1/2 M2 3p1/2 3/2 M3 3p3/2

2 3/2 M4 3d3/2 5/2 M5 3d5/2

4 0 1/2 N1 4s1/2

1 1/2 N2 4p1/2 3/2 N3 4p3/2

2 3/2 N4 4d3/2 5/2 N5 4d5/2

3 5/2 N6 4f5/2 7/2 N7 4f7/2

5 0 1/2 O1 5s1/2 4f7/2 4f5/2 4d5/2 4d3/2 4p3/2 4p1/2 4s1/2 3d5/2 3d3/2 3p3/2 3p1/2 3s1/2 2p3/2 2p1/2 2s1/2 1s1/2 K L M N L L M M M M N N N N N N

1 1

1 2

2 2

3 3

3 4

4 5

5 6

7 电子能级符号 X射线能级符号 各状态电子数和相应的能级符号 2.

2、原子的激发和电离 ? 要研究表面就必须依靠实际测量来获取表面 信息.表面分析技术一般是通过微观粒子 (光子、电子、离子、中性原子等)与表面 的相互作用来获取表面信息的.少数方法可 不用入射的探测粒子,如STM以表面原子发射 的隧道电子为探针,能直接分析短程表面原 子结构,还可取得局域表面势的信息. ? 当具有某一能量的粒子(探针如光子、电子、 离子等)入射到物质表面上以后,就会与物质 中的分子或原子发生相互作用,测量从物质 中产生的不同粒子(它携带着表面物质的信 息),就可推知物质的许多物理和化学性质. ? 电离过程――一次过程 (Primary process) 任何有足够能量的辐射或粒子,当与样品原子、分子 或固体碰撞时,原则上都能引起电离或激发.电离 过程是电子能谱学和表面分析技术中的主要 过程之一. 2.2.

1、光与物质的相互作用 (1) 光电离: ?1887年赫芝(Hertz)首先发现了光电效应,1905 年爱因斯坦应用普朗克的能量量子化概念正确解 释了此一现象,给出了这一过程的能量关系方程 描述.由此贡献爱因斯坦获得了1921年的诺贝尔 物理奖. ?直接电离是个一步过程. A + hν ?→ A+* + e? (分立能量) ?光电离有别于光吸收或发射的共振跃迁.超过电 离的阈值能量的光子能够引起电离过程,过量的 能量将传给电子,以动能的形式出现. ?虽然光电离过程也是一个电子跃迁过程,但它有 别于一般电子的吸收和发射过程,它不需遵守一 定的选择定则,任何轨道上的电子都可以被电离. (2)光电离截面 ? 电离过程中产生的光电子强度与整个过程发生的几率有 关,后者常称为电离截面σ.一个原子亚壳层的总截面 σnl与电子的主量子数n和角量子数l有关.当n一定时, 随l值增大,σn,l亦增大;

当l一定时,随n值增大,σn,l值 变小. )] ( )

1 ( ) ( )[ ( )

1 2 (

3 4 ) (

2 1 ,

2 1 ,

1 2

0 k l E k l E nl nl nl E R l E lR E E l N a E + ? ? + + ? + = πα σ 精细结构常数 1/137.037 入射光子 能量 n,l壳层 结合能 波函数矩 阵元 n,l壳层电 子数 (2)光电离截面 对于电离截面σ:①同一原子中轨道半径愈小的壳层σ愈大;

②轨道 电子结合能与入射光能量愈接近,电离截面σ愈大,这是因为入射光总 是激发尽可能深能级中的电子;

③对于同一壳层,原子序数愈大的元 素,电离截面σ愈大. ④光子能量不同,光电离截面不同. 2.2.

2、电子与物质的相互作用 (1)电子与物质的相互作用: ? 能量为几千电子伏以下的电子和固体表面作用后,可从固 体表面发射出:中性粒子、离子、光子和电子.从固体表 面发射出的中性粒子主要是吸附在固体表面的原子和分子 被电子脱附的结果,如果这些中性粒子在脱附的同时又产 生电离,就得到离子.光子的发射是固体原子内壳层的受 激电子退激发的结果.从固体表面发射出来的电子则由背 散射电子和二次电子组成. ? 电子与固体表面作用后除了可从固体表面发射上述粒子外, 还可能在固体表面产生等离子激元( plasmon) 、 声子 ( phonon) 、 激子( exciton) 等元激发过程. ? 入射电子与物质的相互作用分弹性散射和非弹性散射两 种:当入射电子能量较低( Ep1 keV) 时,以非弹性散射 为主. ? 电子与固体中的原子发生弹性散射时,原子内能不变, 即原子不被激发,电子和原子的总动能和总动量在散射 前后保持守恒.在非弹性散射中,入射电子和表面原子 相互作用后损失了部分能量,它将转化为以下几种主要 的能量形式?等离激元激发、单电子激发、声子及表面 振动的激发和连续X光激发. ? 电子电离: A + ep?→ A+* + 2e? ( 非分立能量―背景) (2)电子电离截面 ? 设入射电子(初级电子)的能量为Ep, EW是 W能级电子的电离能 ,则电离截面 ? QW是(EP/EW)的函数.EP必须大于EW,电离 截面才不为零.理论和实验均表明当U≈3-5 时,QW有一最大值.EW随原子序数增加而 增大.对同种元素,愈是内层的电子,EW 也愈大,相应的电离截面也愈小.典型值为 10-3到10-4. ( )

2 P W W W f E E Q E ∝ 3/

2 18 1/

2 2 6.56

10 1

1 2

1 1

1 ln[2.7 ( 1) ] ( )

1 3

2 / p N x x BE x x x x E BE σ ? ? ? * ? ? ? ? ? ? ? + ? + ? ? ? ? ? ? ? ? ? + ? ? ? ? ? ? ? ? = 光电离与电子电离比较 光电离: 1.光子转移全部能量给电 子,自身湮灭,单电子 过程 2.能量守恒 3.给出精确的结合能值 4.对内层电子电离优于电 子电离 5.二次电子少 6.对样品的破坏、损伤小 电子电离: 1.入射电子转移部分能量给 样品电子,自身以一定能 量散射,双电子过程 2.入射能量大于损失能量, Ep-?E为两电子共享 3.难以给出精确的结合能值 4.对外层电子电离起主要作 用,易产生多次电离 5.二次电子多 6.对样品的破坏、损伤大 7.易会聚,分析面积小 2.

3、光电效应(P........