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XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy)的基本原理及其在配合物中的应用 主 要 内 容 XPS的基本原理光电子能谱仪实验技术 XPS在配合物中的应用 1.1 XPS的基本原理 1.1 XPS的基本原理 1.1.1 光电效应 1. 光电效应 具有足够能量的入射光子(hν) 同样品相互作用时,光子把它的全部能量转移给原子、分子或固体的某一束缚电子,使之电离。 1.1 XPS的基本原理 1.1.1 原理方程 光子的一部分能量用来克服轨道电子结合能( EB),逃逸消耗Ws ,余下的能量便成为发射光电子(e - ) 所具有的动能 ( EK),这就是光电效应。用公式表示为: Ek = hν- EB –Ws 1.1.2 XPS的基本原理涉及的名词结合能( EB):电子克服原子核束缚和周围电子的作 用,到达费米能级所需要的能量。 费米(Fermi)能级:0K固体能带中充满电子的最高能级;逸出功Ws:固体样品中电子由费米能级跃迁到自由电 子能级所需要的能量。 电子弛豫 :内层电子被电离后,造成原来体系的平衡势 场的破坏,使形成的离子处于激发态,其 余轨道电子结构将重新调整。这种电子结 构的重新调整,称为电子弛豫。 1.2 XPS的特点在实验时样品表面受辐照损伤小,能检测周期表中除 H 和 He 以外所有的元素,并具有很高的绝对灵敏度。 XPS之所以无法检测H、He,主要是因为: (1) H和He的光致电离界面小,信号太弱,以Scofield计算的为例,AlKα激发源,C1s为1.00、H1s为0.0002、He1s为0.0082,而Li1s为 0.0568。 (2) H的1s电子很容易转移,在大多数情况下会转移到其他的原子附近,所以检测起来就更难了。 (3) H、He没有内层电子,外层电子用于成键。如对于H元素而言,如有机物中的H,一般都是和别的元素成键,自己失去电子,只有原子核,所以用X射线去激发H,没有光电子被激发出来,所以只能得到H和C或其他原子结合的价带信息,所以XPS无法检测H。 1.3 XPS谱图中原子能级的表示方法 11.1.2 XPS谱图分析中原子能级的表示方法 XPS谱图分析中原子能级的表示用两个数字和一个小字母表示。例如:3d5/2 第一个数字3代表主量子数(n) , 小写字母代表角量子数 ; 右下角的分数代表内量子数j l—为角量子数,l = 0, 1, 2, 3 ……, 注意: 在XPS谱图中自旋-轨道偶合作用的结果,使l不等于0(非s轨道)的电子在XPS谱图上出现双峰,而S轨道上的电子没有发生能级分裂,所以在XPS谱图中只有一个峰。 1.4 化学位移 1. 定义 由于化合物结构的变化和元素氧化状态的变化引起谱峰有规律的位移称为化学位移 2. 化学位移现象起因及规律(1)原因 内层电子一方面受到原子核强烈的库仑作用而具有一定的结合能,另一方面又受到外层电子的屏蔽作用。因而元素的价态改变或周围元素的电负性改变,则内层电子的结合能改变。 (2)规律 当元素的价态增加,电子受原子核的库伦作用增加,结合能增加;当外层电子密度减少时,屏蔽作用将减弱,内层电子的结合能增加;反之则结合能将减少。 与元素电负性的关系 三氟乙酸乙酯 电负性:F>O>C>H 4个碳元素所处化学环境不同; 与氧化态关系 光电子能谱仪的结构 电子能谱仪主要由激发源、电子能量分析器、探测电子的监测器和真空系统等几个部分组成。 XPS采用能量为1000~1500ev 的射线源,能激发内层电子。各种元素内层电子的结合能是有特征性的,因此可以用来鉴别化学元素; UPS采用 16~41ev的真空光电子作激发源。 与X射线相比能量较低,只能使原子的价电子电离,用于研究价电子和能带结构的特征。 AES大都用电子作激发源,因为电子激发得到的俄歇电子谱强度较大。 样品的制备 XPS谱图的表示 横坐标:动能或结合能,单位是eV,一般以结合能 为横坐标。 纵坐标:相对强度(CPS)。 结合能为横坐标的优点:结合能比动能更能反应电子的壳层结构(能级结构), 结合能与激发光源的能量无关 谱峰、背底或伴峰(1)谱峰:X射线光电子入射,激发出的弹性散 射的光电子形成的谱峰,谱峰明显而尖锐。(2)背底或伴峰:如光电子(从产生处向表面)输 送过程中因非弹性散射(损失能量)而产生的 能量损失峰。 1.6 XPS在配合物中的应用
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