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【其他】XPS 原理 已有7人參與
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1. 引言 光電子能譜同其他各種表面分析手段一樣，首先經(jīng)物理學(xué)家之手開創(chuàng)，并隨著它不斷完善，在化學(xué)、金屬學(xué)及表面科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用[1]。歷史上，光電子能譜最初是由瑞典Uppsala大學(xué)的K.Siegbahn及其合作者經(jīng)過約20年的努力而建立起來的。由于它在化學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，常被稱為化學(xué)分析用電子能譜（ESCA），但是，因為最初的光源采用了鋁、鎂等的特性軟X射線，此方法逐漸被普遍稱為X射線光電子能譜（XPS）。另外，倫敦帝國學(xué)院的D.W.Turner等人在1962年創(chuàng)制了使用He I共振線作為真空紫外光源的光電子能譜儀，在分析分子內(nèi)價電子的狀態(tài)方面獲得了巨大成功，在固體價帶的研究中，此方的應(yīng)用領(lǐng)域正逐步擴大。與X射線光電子能譜相對照，此方法稱為紫外光電子能譜（UPS），以示區(qū)別。 2. 基本原理 光電子能譜所用到的基本原理是愛因斯坦的光電效應(yīng)定律。材料暴露在波長足夠短（高光子能量）的電磁波下，可以觀察到電子的發(fā)射。這是由于材料內(nèi)電子是被束縛在不同的量子化了的能級上，當(dāng)用一定波長的光量子照射樣品時，原子中的價電子或芯電子吸收一個光子后，從初態(tài)作偶極躍遷到高激發(fā)態(tài)而離開原子[2]。最初，這個現(xiàn)象因為存在可觀測得光電流而稱為光電效應(yīng)；現(xiàn)在，比較常用的術(shù)語是光電離作用或者光致發(fā)射。若樣品用單色的、即固定頻率的光子照射，這個過程的能量可用Einstein關(guān)系式[3]來規(guī)定： 式中hν為入射光子能量，Ek是被入射光子所擊出的電子能量，Eb為該電子的電離能，或稱為結(jié)合能。光電離作用要求一個確定的最小光子能量，稱為臨閾光子能量hν0。對固體樣品，又常用功函數(shù)這個術(shù)語，記做φ。 對能量hν顯著超過臨閾光子能量hν0的光子，它具有電離不同電離能（只要Eb＜hν）的各種電子的能力。一個光子對一個電子的電離活動是分別進(jìn)行的。一個光子，也許擊出一個束縛很松的電子并將高動能傳遞給它；而另一個同樣能量的光子，也許電離一個束縛的較緊密的電子并產(chǎn)生一個動能較低的光電子。因 圖見網(wǎng)頁。 圖1 用Mg KαX射線激發(fā)的氖PE譜 此，光電離作用，即使使用固定頻率的激發(fā)源，也會產(chǎn)生多色的，即多能量的光致發(fā)射。因為被電子占有的能級是量子化的，所以光電子有一個動能分布n（E），由一系列分離的能帶組成。這個事實，實質(zhì)上反映了樣品的電子結(jié)構(gòu)是“殼層”式的結(jié)構(gòu)。用分析光電子動能的方法，從實驗上測定n（E）就是光電子能譜（PES）。將n（E）對E作圖，成為光電子能譜圖（如圖1）。 如上圖那樣簡單的光電子譜圖，對電子結(jié)構(gòu)的軌道模型提供了最直接的，因而也是最令人信服的證據(jù)。嚴(yán)格的講，光電子能譜應(yīng)該用電離體系M+的多電子態(tài)方法來解釋，比用中性體系M的已占單電子態(tài)（軌道）為好。 3. 系內(nèi)儀器資源 我們系現(xiàn)有英國VG公司ADES 400角分辨電子能譜儀，它是一臺大型超真空多功能表面分析設(shè)備。多年來，經(jīng)過侯曉遠(yuǎn)教授實驗室的多次改進(jìn)，增加了快速進(jìn)樣裝置和一臺國產(chǎn)小型分子束外延裝置[4]，使實驗者可以在不暴露大氣的情況下，對自行生長樣品的表面與界面進(jìn)行分析測試；同時通過改進(jìn)控制單元與計算機的接口，由原來的手動調(diào)節(jié)、機械錄譜變?yōu)橛捎嬎銠C控制掃譜參數(shù)并記錄掃描結(jié)果。 圖見網(wǎng)頁。 圖2 多功能電子能譜儀與分子束外延裝置的聯(lián)機系統(tǒng) ADES 400角分辨電子能譜儀系統(tǒng)如圖（2）所示。整個系統(tǒng)由分析室（主室）、預(yù)處理室（預(yù)室）、快速進(jìn)樣室及小型MBE生長束源爐室四部分組成。 電子能譜儀的本底真空度優(yōu)于5×10-8Pa，配備有Ar離子槍可以處理樣品，俄歇電子能譜（AES）測量樣品表面化學(xué)狀態(tài)，低能電子衍射（LEED）測量樣品表面結(jié)構(gòu)，另外該裝置還有配備了雙陽極X光槍（Al和Mg靶），可以做紫外光電子能譜（UPS）。生長室本底真空度優(yōu)于3×10-8Pa，生長過程真空度優(yōu)于3×10-7Pa。生長室中可以同時裝5個由循環(huán)水冷卻的蒸發(fā)源，同時還配備了一個可以對樣品的表面晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行原位實時測量的反射式高能電子衍射（RHEED）裝置，樣品的生長速率可以由晶體振蕩器來測量，而且樣品架有加熱裝置，可以用來處理樣品或?qū)悠吩谏L時加溫，此外，生長室還安裝了可以自動控制的劈形樣品生長裝置。有關(guān)這套劈形樣品生長裝置的消息介紹可以參考論文[5]。因此這套設(shè)備可以用分子束外延的辦法生長磁性金屬和合金，然后再分析室進(jìn)行一些表面測量，制備好的樣品，用金或銀做為保護(hù)層覆蓋后，再拿出真空室進(jìn)行結(jié)構(gòu)和磁性測量。 4. 參考文獻(xiàn) [1] 染野檀，安盛巖雄，《表面分析》，科學(xué)出版社（1983） [2] 王華馥，吳自勤，《固體物理實驗方法》，高等教育出版社（1990） [3] A.Einsten, Ann.Phys.,17, 132（1905） [4] 朱國興，張明，徐敏，《半導(dǎo)體學(xué)報》， 14，719（1993） [5] 丁海峰，碩士論文，1998，復(fù)旦大學(xué) |
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