X射線光電子能譜與俄歇電子能譜

X射線光電子能譜分析介紹

各種元素具有自己的X射線特征波長，特征波長的大小則取決于能級躍遷過程中釋放出的特征能量△E，X射線能譜分析法就是利用不同元素X射線光子特征能量不同這一特點來對物質(zhì)進行成分分析的方法。

X射線光電子能譜分析原理

當X射線光子進入檢測器后，在Si（Li）晶體內(nèi)激發(fā)出一定數(shù)目的電子空穴對。產(chǎn)生一個空穴對的Z低平均能量ε是一定的（在低溫下平均為3.8ev），而由一個X射線光子造成的空穴對的數(shù)目為N=△E/ε，因此，入射X射線光子的能量越高，N就越大。利用加在晶體兩端的偏壓收集電子空穴對，經(jīng)過前置放大器轉(zhuǎn)換成電流脈沖，電流脈沖的高度取決于N的大小。電流脈沖經(jīng)過主放大器轉(zhuǎn)換成電壓脈沖進入多道脈沖高度分析器，脈沖高度分析器按高度把脈沖分類進行計數(shù)，這樣就可以描出一張X射線按能量大小分布的圖譜。

X射線光電子能譜相關(guān)概念

檢出角：

理論上該角度越大越好。目前的角點檢測算法可歸納為3類：基于灰度圖像的角點檢測、基于二值圖像的角點檢測、基于輪廓曲線的角點檢測。角點是圖像很重要的特征，對圖像圖形的理解和分析有很重要的作用。對灰度圖像、二值圖像、邊緣輪廓曲線的角點檢測算法進行綜述，分析了相關(guān)的算法，并對各種檢測算法給出了評價。

固體角：

也叫立體角，決定了信號量的大小，該角度越大越好。固體角常用字母Ω表示，是一個物體對特定點的三維空間的角度，是平面角在三維空間中的類比。它描述的是站在某一點的觀察者測量到的物體大小的尺度。例如，對于一個特定的觀察點，一個在該觀察點附近的小物體有可能和一個遠處的大物體有著相同的立體角。

立體角：   以觀測點為球心，構(gòu)造一個單位球面；任意物體投影到該單位球面上的投影面積，即為該物體相對于該觀測點的立體角。

因此，立體角是單位球面上的一塊面積，這和“平面角是單位圓上的一段弧長”類似。

能量分辨力：

目前Z高級別的能譜儀分辨力可達121eV。能量分辨力是指，針對兩種不同能量的入射粒子，探測器所能夠測定Z小的能量間隔。能量分辨率定義為全能峰半高寬(FWHM)與峰位能量的比值，它表征了探測器對不同能量射線的辨能力，因此是譜儀探測器Z重要的性能指標。實際測得的能量分辨率與探測器輸出信號的產(chǎn)生、傳遞、轉(zhuǎn)換、放大與收集等過程有關(guān)。若有用信號越強，干擾因素越弱，則能量分辨率越好。

X射線能譜儀簡介

能譜儀是利用X射線能譜分析法來對材料微區(qū)成分元素種類與含量分析的儀器，常常配合掃描電子顯微鏡與透射電子顯微鏡的使用。

X射線能譜儀應(yīng)用范圍包括

1、金屬材料的相分析、成分分析和夾雜物形態(tài)成分的鑒定；

2、高分子、陶瓷、混凝土、生物、礦物、纖維等無機或有機固體材料分析；

3、可對固體材料的表面涂層、鍍層進行分析，如：金屬化膜表面鍍層的檢測；

4、金銀飾品、寶石首飾的鑒別，考古和文物鑒定，以及刑偵鑒定等領(lǐng)域；

5、進行材料表面微區(qū)成分的定性和定量分析，在材料表面做元素的面、線、點分布分析。

X射線光電子能譜分析

X射線光電子能譜分析(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)是用X射線去輻射樣品，使原子或分子的內(nèi)層電子或價電子受激發(fā)射出來。被光子激發(fā)出來的電子稱為光電子，可以測量光電子的能量，以光電子的動能為橫坐標，相對強度(脈沖/s)為縱坐標可做出光電子能譜圖，從而獲得待測物組成。XPS主要應(yīng)用是測定電子的結(jié)合能來實現(xiàn)對表面元素的定性分析，包括價態(tài)。 X射線光電子能譜因?qū)瘜W分析Z有用，因此被稱為化學分析用電子能譜

受激發(fā)射（stimulated emission）是產(chǎn)生激光的重要步驟。電子自高能態(tài)受到光的激發(fā)而躍遷到低能態(tài)，同時發(fā)射與激發(fā)光的相位、偏振方向和傳播方向相同的光，稱為受激發(fā)射。

什么是俄歇電子能譜

俄歇電子能譜簡稱AES，是一種表面科學和材料科學的分析技術(shù)。因此技術(shù)主要借由俄歇效應(yīng)進行分析而命名之。這種效應(yīng)系產(chǎn)生于受激發(fā)的原子的外層電子跳至低能階所放出的能量被其他外層電子吸收而使后者逃脫離開原子，這一連串事件稱為俄歇效應(yīng)，而逃脫出來的電子稱為俄歇電子。1953年，俄歇電子能譜逐漸開始被實際應(yīng)用于鑒定樣品表面的化學性質(zhì)及組成的分析。其特點在俄歇電子來自淺層表面，僅帶出表面的資訊，并且其能譜的能量位置固定，容易分析。

俄歇電子能譜基本物理原理

入射電子束和物質(zhì)作用，可以激發(fā)出原子的內(nèi)層電子形成空穴。外層電子填充空穴向內(nèi)層躍遷過程中所釋放的能量，可能以X光的形式放出，即產(chǎn)生特征X射線，也可能又使核外另一電子激發(fā)成為自由電子，這種自由電子就是俄歇電子。

入射電子束和物質(zhì)作用，可以激發(fā)出原子的內(nèi)層電子。外層電子向內(nèi)層躍遷過程中所釋放的能量，可能以X光的形式放出，即產(chǎn)生特征X射線，也可能又使核外另一電子激發(fā)成為自由電子，這種自由電子就是俄歇電子。對于一個原子來說,激發(fā)態(tài)原子在釋放能量時只能進行一種發(fā)射：特征X射線或俄歇電子。原子序數(shù)大的元素，特征X射線的發(fā)射幾率較大，原子序數(shù)小的元素，俄歇電子發(fā)射幾率較大，當原子序數(shù)為33時，兩種發(fā)射幾率大致相等。因此，俄歇電子能譜適用于輕元素的分析。

如果電子束將某原子K層電子激發(fā)為自由電子，L層電子躍遷到K層，釋放的能量又將L層的另一個電子激發(fā)為俄歇電子，這個俄歇電子就稱為KLL俄歇電子。同樣，LMM俄歇電子是L層電子被激發(fā)，M層電子填充到L層，釋放的能量又使另一個M層電子激發(fā)所形成的俄歇電子。

俄歇躍遷

對于自由原子來說,圍繞原子核運轉(zhuǎn)的電子處于一些不連續(xù)的"軌道 ”上,這些 “ 軌道 ” 又組成K、L、M、N 等電子殼層。 我們用“ 能級 ”的概念來代表某一軌道上電子能量的大小。由于入射電子的激發(fā)，內(nèi)層 電子被 電離， 留下一個空穴。 此時原子處于激發(fā)態(tài)， 不穩(wěn)定。 較高能級上的一個電子降落到內(nèi)層能級的空位中去，同時放出多余的能量。 這些能量可以作為光子發(fā)射特征射線，也可以轉(zhuǎn)移給第三個電子并使之發(fā)射出來。 這就是俄歇電子。 通常用射線能級來標志俄歇躍遷。 例如KL1L2俄歇電子就是表示Z初K能級被電離，L1能級的電子填入K能級空位，多余的能量傳給了L2能級上 的一個電子，并使之發(fā)射出來。

能量公式

對于原子序數(shù)為Z的原子,俄歇電子的能量可以用下面經(jīng)驗公式計算：

EWXY(Z)=EW(Z)-EX(Z)-EY(Z+ Δ)-Φ

式中， EWXY(Z)：原子序數(shù)為Z的原子，W空穴被X電子填充得到的俄歇電子Y的能量。

EW(Z)-EX(Z)：X電子填充W空穴時釋放的能量。

EY(Z+Δ)：Y電子電離所需的能量。