CF-2光电子能谱的Franck-Condon分析

第20卷第4期原子与分子物理学报Vol.20，(.4200)年*0月

+,-./0/1234.56275829-+5.:926/+3654;,<0-+0

2=>.，200)

文章编号：*000?0)@4（200)）04?0A@B?0A

+7C

2光电子能谱的7DEF=G?+oFHoF 分析

*

张先炎炎*，2

，孔祥蕾*，梁

军*，李海洋**

*

（*.中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光谱学实验室，合肥2)00)*；2.安徽师范大学物理与电子信息学院，芜湖24*000）

摘要：在IoDF?2JJ KFLKMNKD 近似下，结合分子轨道从头算，采用谐振子模型和产生函数方法计算了+72

（X *A *）←+7C 2（X 2

B *）

跃迁的7DEF=G?+oFHoF 因子。用迭代7DEF=G?+oFHoF 分析（-7+5）方法对+7C 2的光电子能谱进行了拟合，得到了基态+7C 2的几何构型：r +7O 0.*42P Q 0.000*FN ，θ7+7O *0*.*0Q 0.0*度。*关键词：产生函数方法；7DEF=G?+oFHoF 因子；光电子能谱中图分类号：2A@*.2

文献标识码：5

*引言

光电子能谱和电子光谱是研究气相分子和自由基电子结构的基本实验手段。对于简单的分子，从实

验谱线的位置可以直接获得有关分子构型、振动频率等参数。对于复杂分子由于其光谱重叠，仅从谱线的位置很难进行分析。而借助谱线的强度信息来对光谱进行适当的分析是解决这些问题的有效方法。

7DEF=G?+oFHoF 分析是对电子跃迁中振动谱带强度进行分析的有效手段

［*］。如0=LRNN 等人［2］

结合+500+7方法计算了苯酚S *→S 0跃迁的7DEF=G?+oFHoF 因子，

拟合了实验谱，得到了苯酚S *态的几何构型。/HNoFH 等人［)］

结合+-0、+500+7、9;2和4++0:（8）等方法计算了;22的22A *→～X 2A *跃迁的

7DEF=G?+oFHoF 因子，

拟合了;22的发射谱，得到了;22的22A *的几何构型。在谐振子近似下，双原子分子的7DEF=G?+oFHoF 积分可以通过递推公式简单地计算，

另外取9oDSK 势函数可以得到更为准确的结果［4］

。但是多原子分子的7DEF=G?+oFHoF 积分的计算要困难得多。这主要是因为如下两方面的原因：首先涉及振动跃迁的两个电子态的构型、力常数甚至对称性都可能发生变化，因

而存在由构型变化引起的“模式混合”或“:RS=LMFSG T 效应”

［A ］

。其次是在适当的坐标变换以后，特别是对分子有多个活性振动模式的情况，迭加积分的计算非常复杂。对于“:RS=LMFSG T 效应”的处理有三种方法：

早期采用“平行模型近似”［@］和“内坐标近似”［B ］

，这两种近似方法精度较差。第三种方法是不做任何假

定，用约化的质量权重笛卡尔坐标来表示末态和初态的简正模，然后通过转动矩阵和平移矩阵将两者结合

起来［U ］

。在作了适当的坐标变换以后，7DEF=G?+oFHoF 积分本身的计算主要采用两种方法：

产生函数方法（V KFKDE>MF V WRF=>MoF NK>LoH ）和相干态方法（=oLKDKF>?S>E>K NK>LoH ）。*P@4年0LED J 提出用厄密多项式的

产生函数来求解7DEF=G?+oFHoF 积分，给出了单个活性振动模情况下7DEF=G?+oFHoF 因子的解析表达

式［B ］

。随后，XR J GE 等人对此方法作了进一步发展，讨论了n 维7DEF=G?+oFHoF 积分，给出了求解的递推公式［P ］。*PBB 年:oG>oDoY 用产生和湮灭算符来引入相干态，利用相干态方法来计算7DEF=G?+oFHoF 因子，分别给出了二维和n 维7DEF=G?+oFHoF 积分的递推公式

［*0］

。由于有较好的适用性，并且易于通过计***通讯联系人：李海洋（/C NEMl ：LlMZ EMoWN.E=.=F ）

收稿日期：

200)?04?0*基金项目：国家自然科学基金（200B)042）资助项目

作者简介：张先炎炎（*PB*C ），男，安徽来安人，安徽师范大学物理与电子信息学院讲师，现在安徽光学精密机械研究所攻读博士学位，

主要从事分子光谱和电子自旋共振研究。

算机编程来计算，因此这两种方法一直被广泛应用。

Franck-Condon分析广泛应用于决定跃迁中分子构型的改变。在初态构型已知的情况下，由Franck-Condon分析结合实验谱可以得到分子激发态或离子态的构型。如Coon等人利用此方法得到了ClO2的

一个激发态和SO

2

两个激发态的结构［6］。而Chau F T的研究小组将Franck-Condon迭代分析（IFCA）应

用于对实验谱的拟合，分析了H

2

Se、PH2、PF2、FCN、ClCN、HBS、FBS等的光电子能谱，优化出它们的离子态构型［11］。另一方面，可以借助Franck-Condon分析实现对实验光谱的模拟，从而进一步确认光谱的标识。

本文利用产生函数方法，结合分子轨道从头算，计算了CF

2

（X1A1）←CF-2（X2B1）跃迁的Franck-Condon因子。用迭代Franck-Condon分析（IFCA）方法对CF-2的光电子谱进行了拟合。

2理论研究方法

“Duschinsk y效应”的处理采用Peter Chen的坐标变换方法［12］，Franck-Condon因子的计算采用产生函数方法［7］。

由产生函数方法，从CF-

2基态的（000）态跃迁到CF

2

基态的（mn0）振动态的Franck-Condon因子的

解析表达式为：

FCF（m，n）=m！n！

2m+n

Σ

()m

n

p=0

Σ

m-p

{}

2

q=0

Σ

n-p

{}

2

r=0

2p D m-2q-p

i

D n-2r-p

j

C q i i C r j j C p i j

p！q！r！（m-2p-q）！（n-2r-p

[]

）！

2

（1）

其中，m和n分别为末态第i个和第j个振动模的振动量子数，最外层的求和限为m和n较小的一个值，大括号表述的求和限分别为小于或等于（m-p）/2和（n-p）/2的整数。

对于三维的情况，Franck-Condon因子为：

FCF（m，n，o）=m！n！o！

2m+n+o

Σ

n

()

o

p=0

Σ

m

o-

()

p

q=0

Σ

m-q

n-

()

q

r=0

Σ

o-q-p

{}

2

s=0

Σ

n-r-p

{}

2

t=0

Σ

m-r-q

{}

2

u=

[

×

2p+q+r D m-2u-r-q

i

D n-2t-r-p

j

D o-2s-q-p

k

C u i i C t jj C s k k C r i j C q i j C p jk

p！q！r！s！t！u！（m-2u-r-q）！（n-2t-r-p）！（o-2s-q-p

]

）！

2

（2）

其中，m，n和o分别为第i个振动模、第j个振动模和第k个振动模的振动量子数。以上两式中的矩阵C和D表示如下：

C=2Г1/2［J+Г'J+Г］-1Г1/2-1（3）

D=-2Г1/2J［J+Г'J+Г］-1J+Г'K（4）

其中，Г是各个简正模谐振频率为对角元的对角矩阵。如果原子质量使用原子单位，键长用;作为单位，则Г的矩阵元是以波数为单位的谐振频率乘以因子0<02966。矩阵J和K是外理“Duschinsk y效应”的。它按如下的方式将末态的简正坐标=和初态的简正坐标='联系起来：

='=J=+K（5）显然，矩阵J和K定义了一种线性变换。Peter Chen利用GAUSSIAN分子轨道计算中有关简正模的分析结果来计算矩阵J和K。对一个>个原子的分子，Gaussian98输出包含3>?6个简正模的振动分析，如果我们定义一个3>×（3>?6）的矩阵G98，它表示简正模的振动分析；一个（3>?6）×（3>?6）的对角矩阵@，其对角线是每一个简正模对应的约化质量，则矩阵J和K可表示为：

J=［A（B98'）@'-1/2］+C（B98）@-1/2（6）

K=［A（B98'）@'-1/2］+D（7）865原子与分子物理学报2003年

其中，R =Z （R e q -R'e q ）描述了中性态和离子态之间平衡构型的改变，Z 是一个转动矩阵，

对于大多数C 2v 或更高对称类的分子它是一个单位矩阵。M 是对角矩阵，对角线上分别是分子中各个原子的质量。对于我们所处理的体系，由于其反对称伸缩振动是非活性的，因此Franck-Condon 因子的计算采用两维情况

下的解析公式。

Franck-Condon 因子的计算和光谱的拟合由自编的MATLAB 程序完成，

由计算得到的Franck-Condon 因子结合适当的半高全宽（FWHM ）通过高斯线形得到拟合的光谱。Franck-Condon 因子计算中采用Born-O pp enheimer 近似，

振动分析采用谐振子模型。对实验得到的光电子能谱的拟合还采用了迭代Franck-Condon 分析

（IFCA ）方法。即在光电子能谱拟合过程中取CF 2中性态的几何构型（实验值）保持不变，以分子轨道从头算优化得到的几何构型为起点，改变CF -2的几何构型来拟合光电子能谱，直至模拟谱与实验谱基本一致为上。

3

计算结果和讨论

3.1

分子轨道从头算

表1CF 2（X 1

A 1）

的构型参数和谐振频率Table 1

Geometric p arameters and harmonic fre q uencies of CF 2（X 1

A 1）

Method

r CF /nm θFCF /de g ree v 1/cm

-1

v 2/cm

-1

v 3/cm

-1

Theor y

B3LYP /6-311G （d ，p ）0.13073104.481230.6378670.35351108.3856B3LYP /6-311G （2d f ，2p ）0.13018104.691245.2418672.61861133.5690MP2/6-311G （d ，p ）0.13003104.921280.0728683.91051170.2415MP2/6-311G （2d f ，2p ）

0.129

56

105.081287.1083683.59921190.1783

Ex p eriment 高分辨光谱

［13］

0.12975

104.81

PES

［14］1225.0793666.2492

用密度泛函理论B3LYP 和二阶微扰理论MP2在不同基组情况下优化了CF 2的X 1A 1态和CF -2

的X 2B 1态的构型，并进行了频率计算和振动分析。这些计算均是在个人计算机上通过Gaussian98软件包完成的。

表2CF -2（X 2B 1）

的构型参数和谐振频率Table 2

Geometric p arameters and harmonic fre q uencies of CF -2（X 2B 1）

Method

r CF /nm θFCF /de g ree v 1/cm

-1

v 2/cm

-1

v 3/cm

-1

Theor y

B3LYP /6-311G （d ，p ）0.14651

99.77894.9843466.0593672.6817B3LYP /6-311G （2d f ，2p ）0.1451399.98908.5488477.8225696.3827MP2/6-311G （d ，p ）0.14485100.04950.4616493.0849757.8126MP2/6-311G （2d f ，2p ）0.14363

100.17962.4796501.2741780.9637

IFCA

（this work ）0.1429±0.0001

101.10±0.01

在表1中同时给出了实验上得到的CF 2（X 1

A 1）

的构型和振动频率。从几何构型上来看，几种方法优化得到的键长与实验值相差均在0.001nm 以内，键角与实验值相差在0.3度以内。若以高分辨激光诱导荧光得到的实验构型（r CF =0.12975nm ，θFCF =104.81）为参考，B3LYP /6-311G （2d f ，2p ）和MP2/6-311G （d ，p ）计算得到的结果与实验值符合的较好，键长相差在0.0005nm 以内，键角相差在0.01度左右。从计算的振动频率来看，B3LYP /6-311G （d ，p ）和B3LYP /6-311G （2d f ，2p ）计算的结果与实验值较为接近。综合考虑几何构型和振动频率的计算，可以认为B3LYP /6-311G （2d f ，2p ）

对此体系的处理是值得信赖的。因此我们选取B3LYP /6-311G （2d f ，2p ）方法优化CF -2（X 2B 1）

的结果作为IFCA 的起点。相关的计算结果如表2所示。

9

65第20卷第4期

张先炎炎等：CF -2光电子能谱的Franck-Condon 分析

3.2光电子谱的拟合

图1给出了实验得到的负离子CF-

2

的光电子能谱［14］。拟合谱如图2所示，拟合所用的半高全宽为18meV。在图2的计算中，CF2（X1A1）的构型参数采用

实验值，CF-

2

（X2B1）的构型参数由B3LYP/6-311G

（2d f，2p）方法优化得到，计算中所需的其它参数由

B3LYP/6-311G（2d f，2p）作振动分析得到。由图可见，

CF-2的光电子能谱主要由两个振动系列组成，分别对应于

基态CF

2

的对称伸缩振动和弯曲振动。其中较强的谱带

对应于对称伸缩振动。这与实验结果完全相同，但谱带相

对强度的分布与实验得到的结果有较大的差距。

为了得到与实验更为接近的结果，我们采用了IFCA

方法，CF

2

（X1A1）的构型参数利用高分辨激光诱导荧光得

到的实验值：r

CF

=0.12975nm，θFCF=104.81，振动分析

由B3LYP/6-311G（2d f，2p）进行。以B3LYP/6-311G

（2d f，2p）方法优化CF-

2

（X2B1）得到的构型为起点，系统

地改变它的构型参数，振动分析仍由B3LYP/6-311G（2d f，2p）进行，经多次迭代得到的拟合谱如图3所示。显然，谱的结构和强度分布情况都比图2更接近实验得到的结果。由图3，在大振动量子数情况下对称伸缩振动系列的强度与弯曲振动系列的强度已近似相等，我们认为是由于在计算中忽略非谐性效应引

起的。这样，由IFCA我们得到的CF-

2

（X2B1）的构型如下：r CF=0.1429±0.0001nm，θFCF=101.10±0.01度。为了与分子轨道从头算的结果相比较，我们将其也列于表2

中。

4结论

在质量-权重笛卡尔位移坐标表象中，用产生函数方法计算了CF

2

（X1A1）←CF-2（X2B1）跃迁的075原子与分子物理学报2003年

Franck-Condon 因子。在计算中结合了分子轨道从头算的构型优化和振动分析。由计算的Franck-Condon

因子模拟了CF -2的光电子能谱。结合实验谱由IFCA 方法得到了CF -2（X 2B 1）的构型参数。参考文献

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Simulation of ne g ative ion p hotoelectron s p ectrosco py

of CF 2and franck-condon anal y sis

ZHANG Xian-y i 1，

2

，KONG Xian g -lei 1，LIANG Jun 1，LI Hai-y an g 1（https://www.wendangku.net/doc/d55403626.html,borator y of Environmental S p ectrosco py ，Anhui Institute of O p tics and Fine Mechanics ，

Chinese Academ y of Sciences ，Hefei 230031，P.R.China ；

2.Colle g e of Ph y sics and Electronic Information ，Anhui Normal Universit y ，Wuhu 241000，P.R.China ）

Abstract ：B3LYP and MP2g eometr y o p timization and harmonic fre q uenc y caculation were p erformed on the

X 1A 1states of CF 2and X 2B 1states of CF -2.Under the Born-O pp enheimer a pp roximation ，Franck-Condon factors were obtained with the use of g eneration function method and viberation anal y sis in ab inito caculation.S p ectra simulation were carried out on the first p hotoelectron band of CF 2.The theoretical s p ectra obtained b y em p lo y in g the ab inito g eometries and iterative Franck-Condon anal y sis （IFCA ）method.The g eometr y p arameters of CF -2（X 2B 1）were obtained ：r CF =0.1429±0.0001nm ，θFCF =101.10±0.01de g ree.

Ke y words ：Generation function method ；Franck-Condon factors ；Photoelectron s p ectrum

1

75第20卷第4期

张先炎炎等：CF -2光电子能谱的Franck-Condon 分析

(完整版)X射线光电子能谱分析(XPS)

第18章X射线光电子能谱分析 18.1 引言 固体表面分析业已发展为一种常用的仪器分析方法，特别是对于固体材料的分析和元素化学价态分析。目前常用的表面成分分析方法有：X射线光电子能谱（XPS）, 俄歇电子能谱(AES)，静态二次离子质谱(SIMS)和离子散射谱(ISS)。AES 分析主要应用于物理方面的固体材料科学的研究，而XPS的应用面则广泛得多，更适合于化学领域的研究。SIMS和ISS由于定量效果较差，在常规表面分析中的应用相对较少。但近年随着飞行时间质谱（TOF-SIMS）的发展，使得质谱在表面分析上的应用也逐渐增加。本章主要介绍X射线光电子能谱的实验方法。 X射线光电子能谱（XPS）也被称作化学分析用电子能谱（ESCA）。该方法是在六十年代由瑞典科学家Kai Siegbahn教授发展起来的。由于在光电子能谱的理论和技术上的重大贡献，1981年，Kai Siegbahn获得了诺贝尔物理奖。三十多年的来，X射线光电子能谱无论在理论上和实验技术上都已获得了长足的发展。XPS已从刚开始主要用来对化学元素的定性分析，业已发展为表面元素定性、半定量分析及元素化学价态分析的重要手段。XPS的研究领域也不再局限于传统的化学分析，而扩展到现代迅猛发展的材料学科。目前该分析方法在日常表面分析工作中的份额约50%，是一种最主要的表面分析工具。 在XPS谱仪技术发展方面也取得了巨大的进展。在X射线源上，已从原来的激发能固定的射线源发展到利用同步辐射获得X射线能量单色化并连续可调的激发源；传统的固定式X射线源也发展到电子束扫描金属靶所产生的可扫描式X射线源；X射线的束斑直径也实现了微型化，最小的束斑直径已能达到6μm大小, 使得XPS在微区分析上的应用得到了大幅度的加强。图像XPS技术的发展，大大促进了XPS在新材料研究上的应用。在谱仪的能量分析检测器方面，也从传统的单通道电子倍增器检测器发展到位置灵敏检测器和多通道检测器，使得检测灵敏度获得了大幅度的提高。计算机系统的广泛采用，使得采样速度和谱图的解析能力也有了很大的提高。 由于XPS具有很高的表面灵敏度，适合于有关涉及到表面元素定性和定量分析方面的应用，同样也可以应用于元素化学价态的研究。此外，配合离子束剥离技术和变角XPS技术，还可以进行薄膜材料的深度分析和界面分析。因此，XPS 方法可广泛应用于化学化工，材料，机械，电子材料等领域。 18.2 方法原理 X射线光电子能谱基于光电离作用，当一束光子辐照到样品表面时，光子可以被样品中某一元素的原子轨道上的电子所吸收，使得该电子脱离原子核的束缚，以一定的动能从原子内部发射出来，变成自由的光电子，而原子本身则变成一个激发态的离子。在光电离过程中，固体物质的结合能可以用下面的方程表示： E k = hν- E b - φs （18.1）

材料分析方法实验报告

篇一：材料分析方法实验报告 篇二：材料分析方法课程设计报告 材料分析测试方法 课程设计（论文） 题目：磁控溅射c/w多层膜成分及微观分析 学院材料科学与工程 专业材料化学 班级材化082 学生王维娜 学号 3080101296 指导教师陈迪春 起止时间 2010.12.27-2011.1.1 年 材料分析测试方法课程设计任务书 课程设计内容要求： 掌握高分辨透射电子显微镜样品制备方法，学习并了解真空镀膜 技术-磁控溅射技术，多层膜制备过程，以及其微观结构分析，成分 分析所用仪器和原理。 学生（签名） 月日 材料分析测试方法课程设计评语 指导教师（签名） 年日 目录 材料分析测试方法 ............................................................................. .. (1) 1.1 磁控溅射 ............................................................................. (5) 1.2 x射线衍射仪 ............................................................................. . (5) 1.3 透射电子显微镜 ............................................................................. (6) 1.4 x射线光电子能谱仪（xps） ........................................................................ (7) 第二章实验方法 ............................................................................. .. (9) 2.1 tem样品的制备方法 .............................................................................

光电子能谱分析法基本原理

第十四章 X-射线光电子能谱法 14．1 引言 X-射线光电子谱仪（X-ray Photoelectron Spectroscopy，简称为XPS），经常又被称为化学分析用电子谱（Electron Spectroscopy for Chemical Analysis，简称为ESCA），是一种最主要的表面分析工具。自19世纪60年代第一台商品化的仪器开始，已经成为许多材料实验室的必不可少的成熟的表征工具。XPS发展到今天，除了常规XPS外，还出现了包含有Mono XPS (Monochromated XPS, 单色化XPS，X射线源已从原来的激发能固定的射线源发展到利用同步辐射获得X射线能量单色化并连续可调的激发源), SAXPS ( Small Area XPS or Selected Area XPS, 小面积或选区XPS，X射线的束斑直径微型化到6μm) 和iXPS（imaging XPS, 成像XPS）的现代XPS。目前，世界首台能量分辨率优于1毫电子伏特的超高分辨光电子能谱仪（通常能量分辨率低于1毫电子伏特）在中日科学家的共同努力下已经研制成功，可以观察到化合物的超导电子态。现代XPS拓展了XPS的内容和应用。 XPS是当代谱学领域中最活跃的分支之一，它除了可以根据测得的电子结合能确定样品的化学成份外，XPS最重要的应用在于确定元素的化合状态。XPS可以分析导体、半导体甚至绝缘体表面的价态，这也是XPS的一大特色，是区别于其它表面分析方法的主要特点。此外，配合离子束剥离技术和变角XPS技术，还可以进行薄膜材料的深度分析和界面分析。XPS表面分析的优点和特点可以总结如下： ⑴固体样品用量小，不需要进行样品前处理，从而避免引入或丢失元素所造成的错误分析 ⑵表面灵敏度高，一般信息采样深度小于10nm ⑶分析速度快，可多元素同时测定 ⑷可以给出原子序数3-92的元素信息，以获得元素成分分析 ⑸可以给出元素化学态信息，进而可以分析出元素的化学态或官能团 ⑹样品不受导体、半导体、绝缘体的限制等 ⑺是非破坏性分析方法。结合离子溅射，可作深度剖析 目前，XPS主要用于金属、无机材料、催化剂、聚合物、涂层材料、纳米材料、矿石等各种材料的研究，以及腐蚀、摩擦、润滑、粘接、催化、包覆、氧化等过程的研究，也可以用于机械零件及电子元器件的失效分析，材料表面污染物分析等。 14.2 基本原理 XPS方法的理论基础是爱因斯坦光电定律。用一束具有一定能量的X射线照射固体样品，入射光子与样品相互作用，光子被吸收而将其能量转移给原子的某一壳层上被束缚的电子，此时电子把所得能量的一部分用来克服结合能和功函数，余下的能量作为它的动能而发射出来，成为光电子，这个过程就是光电效应。 该过程可用下式表示: hγ=E k+E b+E r（14.1） 式中: hγ：X光子的能量（h为普朗克常数，γ为光的频率）；

实验1紫外可见吸收光谱实验报告

实验一:紫外—可见吸收光谱 一、实验目的 1.熟悉和掌握紫外—可见吸收光谱的使用方法 2.用紫外—可见吸收光谱测定某一位置样品浓度 3.定性判断和分析溶液中所含物质种类 二、实验原理 紫外吸收光谱的波长范围在200~4０0,可见光吸收光谱的波长在400～8０0，两者都属于电子能谱，两者都可以用朗伯比尔（Lamber-Beｅr’s Law）定律来描述 Ａ=ε ｂc 其中A为吸光度；ε为光被吸收的比例系数；c为吸光物质的浓度，单位mol/L；b为吸收层厚度,单位cｍ 有机化合物的紫外-可 见吸收光谱,是其分子中外 层价电子跃迁的结果，其中 包括有形成单键的σ电 子、有形成双键的π电子、 有未成键的孤对n电子。外 层电子吸收紫外或者可见 辐射后，就从基态向激发态 (反键轨道）跃迁。主要有 四种跃迁，所需能量ΔE 大小顺序为σ→σ＊＞ n→σ*>π→π>ｎ→π＊ 吸收带特征典型基团 σ→σ＊主要发生在远紫外区C-C、C－H（在紫外光区观测不到) 跃迁一般发生在１50～250nm，因此在紫 n→σ* －OH、－NH 2 、—X、-S 外区不易观察到 跃迁吸收带波长较长，孤立跃迁一般发 π→π＊ 芳香环 生在20０ｎｍ左右 跃迁一般发生在近紫外区(２00~４00ｎ n→π＊ Ｃ＝O、C＝S、—Ｎ＝O、－N=N-、C=N ； m） １、开机 打开紫外－可见分光光度计开关→开电脑→软件→联接→Ｍ（光谱方法)进行调节实验需要的参数:波长范围 70０－36５nｍ 扫描速度高速；采样间隔： 0．５nm 2、甲基紫的测定

(１)校准基线 将空白样品（水）放到比色槽中,点击“基线”键，进行基线校准（2)标准曲线的测定 分别将5uｇ/ml、 10uｇ／ml 、15ug/mｌ、20ug/mｌ甲基紫溶液移入比色皿(大约2/3处），放到比色槽中，点击“开始”键，进行扫描，保存 （３）测定试样 将试样甲基紫溶液移入比色皿(大约2／3处)，放到比色槽中，点击“开始"键,进行扫描,保存 3、甲基红的测定 (１）校准基线 将空白样品(乙醇）放到比色槽中,点击“基线"键，进行基线校准 （2)测定试样 将试样甲基紫溶液移入比色皿（大约2/3处),放到比色槽中,点击“开始" 键，进行扫描，保存 四、实验结果 1.未知浓度的测定 分别测定了5μg/ml，10μg/ml，1５μg／ml,20μg／ml和未知浓度的甲基紫溶液的紫外吸收光谱,紫外吸收谱图如下: 甲基紫在５８0nｍ是达到最大吸收见下表: 浓度/μg＊ml—1吸光度 5０。66５ 10 1.２74 1５2．０４８

半导体a谱仪实验报告

实验6：半导体α谱仪 实验目的 1．了解α谱仪的工作原理及其特性。 2．掌握应用谱仪测量α粒子能谱的方法。 3．测定241Am核素的α衰变的相对强度。 内容 1．调整谱仪参量，测量不同偏压下的α粒子能量，并确定探测器的工作偏压。 2．测定谱仪的能量分辨率，并进行能量刻度。 3．测量未知α源的能谱，并确定α粒子能量。 原理 半导体α谱仪的组成如图1所示。 金硅面垒探测器是用一片N型硅，蒸上一薄层金（100-2000 A），接近金膜的那一 层硅具有P型硅的特性，这种方式形成的PN结靠近表面层，结区即为探测粒子的灵敏区。探测器工作加反向偏压。α粒子在灵敏区内损失能量转变为与其能量成正比的电脉冲信号，经放大并由多道分析器测出幅度的分布，从而给出带电粒子的能谱。偏置放大器的作用是当多道分析器的道数不够用时，利用它切割、展宽脉冲幅度，以利于脉冲幅度的精确分析。为了提高谱仪的能量分辨率，探测器要放在真空室中。另外金硅面垒探测器一般具有光敏的特性，在使用过程中，应有光屏蔽措施。 金硅面垒型半导体α谱仪具有能量分辨率高、能量线性范围宽、脉冲上升时间快、体积小和价格便宜等优点，在α粒子及其它重带电粒子能谱测量中有着广泛的应用。 带电粒子进入灵敏区，损失能量产生电子空穴对。形成一对电子空穴所需的能量w，与半导体材料有关，与入射粒子的类型和能量无关。对于硅，在300K时，w为3.62eV，77K时为3.76eV。对于锗，在77K时w为2.96eV。若灵敏区的厚度大于入射

粒子在硅中的射程，则带电粒子的能量E 全部损失在其中，产生的总电荷量Q 等于 e w E )/(。w E /为产生的电子空穴对数，e 为电子电量。由于外加偏压，灵敏区的电 场强度很大，产生的电子空穴对全部被收集，最后在两极形成电荷脉冲。通常在半导体探测器设备中使用电荷灵敏前置放大器。它的输出信号与输入到放大器的电荷量成正比。 探测器的结电容d C 是探测器偏压的函数，如果核辐射在探测器中产生电荷量为Q ，那么探测器输出脉冲幅度是d C Q /。因此，由于探测器偏压的微小变化所造成的d C 变化将影响输出脉冲的幅度。事实上，电源电压的变化就可以产生偏压近种微小变化。此外，根据被测粒子的射程调节探测器的灵敏区厚度时，也往往需要改变探测器的偏压。要减少这些变化对输出脉冲幅度的影响，前级放大器对半导体探测器系统的性能越着重要的作用。图2表示典型探测器的等效电路和前置放大器的第一级。其中一K 是放大器的开环增益，f C 是反馈电容，1C 是放大器的总输入电容，它等于 '',C C C d +是放大器插件电缆等寄生电容。前置放大器的输入信号是d C Q /，它的等 到效输入电容近似等于f KC ，只要1C KC f >>，那么前置放大器的输出电压为 f f C Q C K C KQ V - =++- =)1(10 （ 1 ） 这样一来，由于选用了电荷灵敏放大器作为前级放大器，它的输出信号与输入电荷Q 成正比，而与探测器的结电容d C 无关。 1. 确定半导体探测器偏压

X射线光电子能谱仪

X射线光电子能谱分析 1 引言 固体表面分析业已发展为一种常用的仪器分析方法，特别是对于固体材料的分析和元素化学价态分析。目前常用的表面成分分析方法有：X射线光电子能谱（XPS）, 俄歇电子能谱(AES)，静态二次离子质谱(SIMS)和离子散射谱(ISS)。AES分析主要应用于物理方面的固体材料科学的研究，而XPS的应用面则广泛得多，更适合于化学领域的研究。SIMS和ISS由于定量效果较差，在常规表面分析中的应用相对较少。但近年随着飞行时间质谱（TOF-SIMS）的发展，使得质谱在表面分析上的应用也逐渐增加。本章主要介绍X射线光电子能谱的实验方法。 X射线光电子能谱（XPS）也被称作化学分析用电子能谱（ESCA）。该方法是在六十年代由瑞典科学家Kai Siegbahn教授发展起来的。由于在光电子能谱的理论和技术上的重大贡献，1981年，Kai Siegbahn获得了诺贝尔物理奖。三十多年的来，X射线光电子能谱无论在理论上和实验技术上都已获得了长足的发展。XPS已从刚开始主要用来对化学元素的定性分析，业已发展为表面元素定性、半定量分析及元素化学价态分析的重要手段。XPS的研究领域也不再局限于传统的化学分析，而扩展到现代迅猛发展的材料学科。目前该分析方法在日常表面分析工作中的份额约50%，是一种最主要的表面分析工具。 在XPS谱仪技术发展方面也取得了巨大的进展。在X射线源上，已从原来的激发能固定的射线源发展到利用同步辐射获得X射线能量单色化并连续可调的激发源；传统的固定式X射线源也发展到电子束扫描金属靶所产生的可扫描式X射线源；X射线的束斑直径也实现了微型化，最小的束斑直径已能达到6 m 大小, 使得XPS在微区分析上的应用得到了大幅度的加强。图像XPS技术的发展，大大促进了XPS在新材料研究上的应用。在谱仪的能量分析检测器方面，也从传统的单通道电子倍增器检测器发展到位置灵敏检测器和多通道检测器，使得检测灵敏度获得了大幅度的提高。计算机系统的广泛采用，使得采样速度和谱图的解析能力也有了很大的提高。 由于XPS具有很高的表面灵敏度，适合于有关涉及到表面元素定性和定量分析方面的应用，同样也可以应用于元素化学价态的研究。此外，配合离子束剥离技术和变角XPS技术，还可以进行薄膜材料的深度分析和界面分析。因此，XPS方法可广泛应用于化学化工，材料，机械，电子材料等领域。 2 方法原理 X射线光电子能谱基于光电离作用，当一束光子辐照到样品表面时，光子可以被样品中某一元素的原子轨道上的电子所吸收，使得该电子脱离原子核的束缚，以一定的动能从原子内部发射出来，变成自由的光电子，而原子本身则变成

透射电镜实验报告

透射电镜实验报告 实验报告 课程名称电镜技术成绩姓名学号实验日期 2013.3.27 实验名称透射电子显微镜原理、结构、性能及成像方指导教师 式 一、实验目的与任务 1. 初步了解透射电镜操作过程 2. 初步掌握样品的制样方法(主要是装样过程) 3.拍摄多晶金晶体的低分辨率照片(<300000倍)和高分辨率照片(>300000 倍)，并对相关几何参数、形态给予描述。用能谱分析仪对样品的成分进行分析。 二、实验基本原理 1.仪器原理 透射电子显微镜是以图像方式提供样品的检测结果，其成像的决定因素是样品对入射电子的散射，包括弹性散射和非弹性散射两个过程。样品成像时，未经散射的电子构成背景，而像的衬底取决于样品各部分对电子的不同散射特性。采用不同的实验条件可以得到不同的衬底像，透射电子显微镜不仅能显示样品显微组织的形貌，而且可以利用电子衍射效应同样获得样品晶体学信息。本次实验将演示透射电镜的透射成像方式和衍射成像方式。 (1)成像方式 电子束通过样品进入物镜，在其像面形成第一电子像，中间镜将该像放大，成像在自己的像面上，投影镜再将中间镜的像放大，在荧光屏上形成最终像。 (2)衍射方式

如果样品是晶体，它的电子衍射花样呈现在物镜后焦面上，改变中间镜电流，使其对物镜后焦面成像，该面上的电子衍射花样经中间镜和投影镜放大，在荧光屏上获得电子衍射花样的放大像。 2.仪器结构 主机主要由:照明系统、样品室、放大系统、记录系统四大部分构成。 3.透射电子显微镜的样品制备技术 4.图像观察拍照技术 透射电镜以图像提供实验结果。在观察样品之前对电子光学系统进行调查，包括电子枪及象散的消除。使仪器处于良好状态。观察过程中选合适的加速电压和电流。明场、暗场像及选区电子衍射的观察和操作方法不同，应按况选择。三、实验方法与步骤 1( 登陆计算机 2( 打开操作软件 3( 检查电镜状态 4( 装载样品 5( 插入样品杆 6( 加灯丝电流 7( 开始操作 8( 结束操作 9( 取出样品杆 10( 卸载样品 11( 刻录数据 12( 关闭操作软件 13( 退出计算机

材料现代分析与测试 第五章 光电子能谱分析

第五章光电子能谱分析 一、教学目的 理解掌握光电子能谱分析的基本原理，掌握光电子能谱实验技术，了解光电子能谱仪，了解俄歇电子能谱分析。 二、重点、难点 重点：光电子能谱分析原理、光电子能谱实验技术及应用。 难点：光电子能谱分析原理。 第一节概述 电子能谱是近十多年才发展起来的一种研究物质表面的性质和状态的新型物理方法。这里所谓的表面是指固体最外层的l～10个原子的表面层和吸附在它上面的原子、分子、离子或其他覆盖层，它的深度从小于1到几个nm，或者包括采取剥离技术将表面层沿纵向深度暴露出新的表面。用特殊的手段对这类表面进行分析已形成一门新兴的测试方法，即表面分析法，它在理论上和实际应用上都有广泛的研究领域。表面分析方法在无机非金属材料学科中的应用，例如：研究玻璃表面的刻蚀作用、水泥矿物硅酸钙的水化作用、陶瓷表面和界面、高温超导材料表面的作用等均有重要意义。 一、表面分析可以得到的信息 表面分析是借助于各种表面分析仪，对物体10 nrn以内的表面层进行分析，可得到的信息有： （1）物质表面层（包括吸附层）的化学成分，除氢元素以外的元素都可以从表面分析法获得定性和定量的结果，而X射线能谱分析一般只能分析到原子序数为11以上的元素（最好的仪器可以分析原子序数为4的Be元素）。定量分析也只能达到半定量程度。 （2）物质表面层元素所处的状态或与其他元素间的结合状态和结构，即元素所处的原子状态、价态、分子结构等信息。 （3）表面层物质的状态，如表面层的分子和吸附层分子状态、氧化态、腐蚀状态、表面反应生成物等。 （4）物质表面层的物理性质，这在一般表面分析中虽不是研究的主要内容，但可以得到与表面的元素、价态、结构等信息的关系。 在做表面分析工作时，不仅在制备样品时要求在高真空和超净条件下进行，而且在测试过程中也要注意仪器中的条件，以防止因污染而引起测试误差。 二、表面分析法的特点

电子能谱XPS实验报告

实验报告 电子能谱实验

实验报告 一、 实验名称 电子能谱实验 二、 实验目的 （1） 了解X 光电子能谱（XPS ）测量原理、仪器工作结构及应用； （2） 通过对选定的样品实验，初步掌握XPS 实验方法及谱图分析。 三、 实验原理 在现代材料分析中，表面问题是材料研究中很重要的部分。尤其是在微型材料、超薄 材料、薄膜材料和材料的表面处理等，都离不开表面科学。而X 光电子能谱（简称XPS ）则是一项重要的表面分析方法。一定能量的X 光作用到样品上，将样品表面原子中的不同能级的电子激发成为自由电子，这些电子带有样品表面信息，具有特征能量，研究这类电子的能量分布，即为X 光电子能谱分析。 （1）光电发射 在具体介绍XPS 原理时，先介绍光电发射效应。光电发射是指，在轨道上运动的电子收到入射的光子的激发而由发射出去成为自由电子的过程。对于固体样品光电发射的能量关系如下： 'b k sa E h E νφ=--（固体）（1） 其中b E 为相对于费米能级的结合能，h ν为光子的能量，'k E 为光电子的动能，sa φ为样品的功函数。 光电发射示意图如下： 原子能级结合能b E 对于原子来说是特征的，具有特异性，可以用它来标识原子及原子能级。 由样品发射的光电子最终将会被探测器俘获，对于探测器有如下能量关系：

b k sp E h E νφ=--（探测器）（2） 式中，sp φ为探测器的功函数。如下图所示： （二）化学位移 XPS 在进行定量分析的时候，有一项很重要的应用就是化学态分析，其中包括化学位移和化学能移。 化学位移是指由于原子处于不同的化学环境而引起的结合能的位移（b E ?）。如化合过程+X+Y=X Y -，X 、Y 因电子的转移引起结合能的变化。相应的电子能谱也会发生改变，通过这种方法，还可以区别同一类原子处于何种能态，这为表面分析提供了很大的便利。 （三）X 光电子能谱仪原理示意图 如下图所示，由X 射线源发出的X 射线入射到样品表面，激发出自由光电子。光电子经过半球形能量分析器后被探测器吸收。探测器将光电子的所携带的信息转化为电信号，由示波器收集并在电脑中显示出来。 XPS 测量原理示意图 X 光电子能谱仪结构示意图

AES实验报告-材料分析与表征

《材料分析与表征》 俄歇电子能谱(AES)实验报告 学院：材料学院班级：xxx 姓名：xx 学号：xxxxxxxx 一．实验目的 1. 了解俄歇电子能谱的背景知识和基本原理； 2. 了解俄歇电子能谱的基本实验技术及其主要特点； 3. 了解俄歇谱仪的基本结构和操作方法； 4. 了解俄歇电子能谱在材料表面分析中的应用。 二．实验原理 1. AES简介 俄歇电子能谱，英文全称为Auger Electron Spectroscopy，简称为AES，是材料表面化学成分分析、表面元素定性和半定量分析、元素深度分布分析及微区分析的一种有效的手段。俄歇电子能谱仪具有很高表面灵敏度，通过正确测定和解释AES 的特征能量、强度、峰位移、谱线形状和宽度等信息，能直接或间接地获得固体表面的组成、浓度、化学状态等信息。 当原子的内层电子被激发形成空穴后，原子处于较高能量的激发态。这一状态是不稳定的，它将自发跃迁到能量较低的状态——退激发过程，存在两种退激发过程：一种是以特征X射线形式向外辐射能量——辐射退激发；另一种通过原子内部的转换过程把能量交给较外层的另一电子，使它克服结合能而向外发射——非辐射退激发过程(Auger过程)。向外辐射的电子称为俄歇电子。其能量仅由相关能级决定，与原子激发状态的形成原因无关，因而它具有“指纹”特征，可用来鉴定元素种类。 2. 俄歇效应 处于基态的原子若用光子或电子冲击激发使内层电子电离后，就在原子的芯能级上产生一个空穴。这一芯空穴导致外壳层收缩。这种情形从能量上看是不稳定的，并发生弛豫，K空穴被高能态L1的一个电子填充，剩余的能量(E K-E L1)用于释放一个电子，即俄歇电子。如图1所示。

实验1紫外-可见吸收光谱实验报告

实验一：紫外-可见吸收光谱 一、实验目的 1.熟悉和掌握紫外-可见吸收光谱的使用方法 2.用紫外-可见吸收光谱测定某一位置样品浓度 3.定性判断和分析溶液中所含物质种类 二、实验原理 紫外吸收光谱的波长范围在200~400，可见光吸收光谱的波长在400~800，两者都属于电子能谱，两者都可以用朗伯比尔（Lamber-Beer’s Law）定律来描述 A=ε bc 其中A为吸光度;ε为光被吸收的比例系数；c为吸光物质的浓度,单位mol/L； b为吸收层厚度，单位cm 有机化合物的紫外-可 见吸收光谱，是其分子中外 层价电子跃迁的结果，其中 包括有形成单键的σ电子、 有形成双键的π电子、有未 成键的孤对n电子。外层 电子吸收紫外或者可见辐 射后，就从基态向激发态（反键轨道）跃迁。主要有四种跃迁，所需能量ΔE 大小顺序为σ→σ*>n→σ*>π→π>n→π*

三、实验步骤 1、开机 打开紫外-可见分光光度计开关→开电脑→软件→联接→M（光谱方法）进行调节实验需要的参数：波长范围700-365nm 扫描速度高速；采样间隔：0.5nm 2、甲基紫的测定 （1）校准基线 将空白样品（水）放到比色槽中，点击“基线”键，进行基线校准 （2）标准曲线的测定 分别将5ug/ml、10ug/ml 、15ug/ml 、20ug/ml甲基紫溶液移入比色皿（大约2/3处），放到比色槽中，点击“开始”键，进行扫描，保存 （3）测定试样 将试样甲基紫溶液移入比色皿（大约2/3处），放到比色槽中，点击“开始” 键，进行扫描，保存 3、甲基红的测定 （1）校准基线

将空白样品（乙醇）放到比色槽中，点击“基线”键，进行基线校准 （2）测定试样 将试样甲基紫溶液移入比色皿（大约2/3处），放到比色槽中，点击“开始” 键，进行扫描，保存 四、实验结果 1.未知浓度的测定 分别测定了5μg/ml，10μg/ml，15μg/ml，20μg/ml和未知浓度的甲基紫溶液的紫外吸收光谱，紫外吸收谱图如下： 甲基紫在580nm是达到最大吸收见下表： 浓度/μg*ml-1吸光度 50.665 10 1.274 15 2.048 20 2.659

超快时间分辨的激光光源系统装置搭建

超快时间分辨的激光光源系统装置搭建 光电子能谱仪是用来探测物质的能带结构和电子态等信息，是研究固体物理和表面化学的一个主要手段。而具有超快时间分辨的光电子能谱技术不仅可以测量电子能带结构和电子态等信息，还可以测量各个电子态的寿命，尤其是位于导带中的激发态寿命，很大程度上帮助人们理解表面化学反应过程中电荷的转移过程，是研究电子动力学的主流方法。该系统的一个重要组成部分即为具有时间分辨的超快激光光源系统，它的时间分辨率和光路稳定性将直接决定实验中电子态的寿命和能级结构结果的获得。本课题计划搭建一套具有时间分辨的超快激光光源系统装置，该装置的时间分辨率可达到0.2飞秒，是理论计算的极限分辨率（海森堡不确定关系），也是目前市场上具有最高时间分辨率光源系统。学生通过参与本项目工作，将学习飞秒激光调控、超快光源光路调节，光电探测、数据同步采集等基本实验方法，掌握相关的基本光学、固体物理、电子、真空技术，以及常用的软硬件技术等，具备独立搭建一套激光光源系统的能力。 指导教师：王兵 bwang@https://www.wendangku.net/doc/d55403626.html, 课题方向：超快时间分辨光电子能谱学、激光光谱学、角分辨光电子能谱学 对学生的要求：预修光学、固体物理，有较好的学习和动手能力，具备调节光路的耐心。 课题计划时间：2016.1～2017.6 研究计划： 2016.1～2016.6：阅读文献，补修相关光电子能谱学和光学知识，通过学习Labview等软件理解具有时间分辨光源系统的获取和操作方法； 2016.7～2016.9：在实验室学习基本的光路调节，机械加工和真空操作；搭建简单的二次谐波发生器装置； 2016.10～2016.12：学会调节Mach-Zehnder干涉仪，得到具有0.2飞秒分辨率的时间分辨系统，实现超快光源系统探测； 2017.1～2017.5：光源系统的验证，评价，改进和扩展等，搭建成可自由变换激光波长的系统。

案例解析X射线光电子能谱(XPS)八大应用!

【干货】玩转XPS丨案例解析X射线光电子能谱（XPS）八大应用！ 表面分析技术 (Surface Analysis)是对材料外层(the Outer-Most Layers of Materials (<100nm))的研究的技术。 X射线光电子能谱简单介绍 XPS是由瑞典Uppsala大学的K. Siegbahn及其同事历经近20年的潜心研究于60年代中期研制开发出的一种新型表面分析仪器和方法。鉴于K. Siegbahn教授对发展XPS领域做出的重大贡献，他被授予1981年诺贝尔物理学奖。 X射线激发光电子的原理 XPS现象基于爱因斯坦于1905年揭示的光电效应，爱因斯坦由于这方面的工作被授予1921年诺贝尔物理学奖； X射线是由德国物理学家伦琴（Wilhelm Conrad R?ntgen，l845-1923）于1895年发现的，他由此获得了1901年首届诺贝尔物理学奖。

X射线光电子能谱（XPS ，全称为X-ray Photoelectron Spectroscopy）是一种基于光电效应的电子能谱，它是利用X射线光子激发出物质表面原子的内层电子，通过对这些电子进行能量分析而获得的一种能谱。 这种能谱最初是被用来进行化学分析，因此它还有一个名称，即化学分析电子能谱（ESCA，全称为Electron Spectroscopy for Chemical Analysis）。XPS谱图分析中原子能级表示方法 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（1）第一个数字3代表主量子数(n)； （2）小写字母代表角量子数; （3）右下角的分数代表内量子数j

XPS实验报告-参考

电子能谱实验 实验日期：2009-11-30 报告人：张丽颖（200921220007） 组员：邓春凤、代庆娥、刘丽娜 实验内容： 一、实验目的 (1) 了解X光电子能谱（XPS）测量原理、仪器工作结构及应用； (2) 通过对选定的样品实验，初步掌握XPS实验方法及谱图分析。 二、实验原理 1、光电发射过程 光子照射到样品上，被样品表面原子的电子吸收，逸出样品表面。 2、光电子能谱 一定能量的电子、X光、UV等入射到（作用到）样品上，将样品表面原子中的不同能级的电子激发成自由电子，这些电子带有样品表面信息，具有特征能量，研究这类电子的能量分布，即为电子能谱分析。而以光子激发出自由电子得到的电子能谱称为光电子能谱，用X光激发得到的光电子能谱就叫做XPS。 3、能量关系 光电发射有：hν+M →M++e(Ek)，其中，hν是入射光子，M是样品原子，Ek是光电子动能。 得到能量关系（Einstein 关系）：Ek = hν- Eb →Eb= hν-Ek-φsa（固体），其中，hν是光子能量，Eb是结合能（相对于费米能级E F），Ek是光电子动能，φsa 是固体样品功函数。 实际实验中是将样品与分析器相连接地，二者处于相同电位上，能量关系如图1所示，光电子结合能又可表示为： Eb=hv-Ek’-φsa ........ 样品 =hv-Ek-φsp .........仪器 其中φsp是仪器功函数。

图1.固体样品的光电子发射能量关系图 4、化学态分析 物理位移：由于物理因素而引起的结合能位移为物理位移，如相变，固体热效应，荷电效应等。其中荷电效应是由于样品光电子的逸出使样品电位升高，对后续实验产生的光电子有吸引作用，导致测量得到的结合能高于实际值。 化学位移：由于原子处于不同的化学环境而引起的结合能的位移（ΔEb）为化学位移。结合能化学位移变化规律： (a) 同一元素中，1s, 2s, 2p1/2, 2p3/2, 3s, 3p1/2, 3p3/2, 3d5/2, 3d3/2, ....结合能变小。 (b) 同一周期内主族元素结合能ΔEb 位移随化合价的升高线性增加；而过渡元素的ΔEb 随化合价变化相反，如图为元素氧化物的结合能位移ΔEb 与原子序数Z 间的关系。 (c) 分子M 中某原子A 的内层电子结合能位移ΔEb A同它周围的结合的原子电负性之和ΣX有一定的关系。 (d) NMR, Mossbauer 谱，IR 关系；在分子（化合物）分析中，(少数化合物)XPS 的ΔEb与NMR, Mossbauer 谱的ΔEb 成正比。 (e) 反应热 6、俄歇效应

X射线光电子能谱(XPS)谱图分析

一、X光电子能谱分析的基本原理 X光电子能谱分析的基本原理：一定能量的X光照射到样品表面，和待测物质 发生作用，可以使待测物质原子中的电子脱离原子成为自由电子。该过程可用 下式表示： hn=Ek+Eb+Er （1） 其中:hn：X光子的能量；Ek：光电子的能量；Eb：电子的结合能；Er：原子的 反冲能量。其中Er很小，可以忽略。 对于固体样品，计算结合能的参考点不是选真空中的静止电子，而是选用费米 能级，由内层电子跃迁到费米能级消耗的能量为结合能Eb，由费米能级进入真 空成为自由电子所需的能量为功函数Φ，剩余的能量成为自由电子的动能Ek，式(1)又可表示为： hn=Ek+Eb+Φ（2） Eb=hn-Ek-Φ（3）仪器材料的功函数Φ是一个定值，约为 4 eV，入射X光子能量已知，这样， 如果测出电子的动能Ek，便可得到固体样品电子的结合能。各种原子，分子的 轨道电子结合能是一定的。因此，通过对样品产生的光子能量的测定，就可以 了解样品中元素的组成。元素所处的化学环境不同，其结合能会有微小的差别，这种由化学环境不同引起的结合能的微小差别叫化学位移，由化学位移的大小 可以确定元素所处的状态。例如某元素失去电子成为离子后，其结合能会增加，如果得到电子成为负离子，则结合能会降低。因此，利用化学位移值可以分析 元素的化合价和存在形式。 二、电子能谱法的特点 (1)可以分析除H和He以外的所有元素；可以直接测定来自样品单个能级光电 发射电子的能量分布，且直接得到电子能级结构的信息。(2)从能量范围看，如果把红外光谱提供的信息称之为“分子指纹”，那么电子能谱提供的信息可称 作“原子指纹”。它提供有关化学键方面的信息，即直接测量价层电子及内层 电子轨道能级。而相邻元素的同种能级的谱线相隔较远，相互干扰少，元素定 性的标识性强。 (3)是一种无损分析。 (4)是一种高灵敏超微量表面分析技术，分析所需试样约10-8g即可，绝对灵敏

材料现代分析方法实验报告

力学与材料学院 材料现代分析方法实验报告二 XRD图谱分析 专业年级：1 姓名：1 指导老师：1 学号：1 2016年12月 中国南京 目录 实验名称：XRD图谱分析…………………………………………… 一、实验目的……………………………………………………

二、实验要求…………………………………………………… 三、操作过程…………………………………………………… 四、结果分析与讨论……………………………………………… 实验名称：XRD图谱分析 一、实验目的 了解XRD基本原理及其应用，不同物相晶体结构XRD图谱的区别，熟练掌握如何来分析利用X射线测试得到的XRD图谱。 二、实验要求

1、熟练掌握如何来利用软件打开、分析XRD图谱，以及输出分析结果。 2、明确不同物质的XRD图谱，掌握XRD图谱包含的晶体结构的关系，通过自己分析、数据查找和鉴别的全过程，了解如何利用软件正确分析和确定不同物相的XRD图谱，并输出分析结果。 3、实验报告的编写，要求报告能准确的反映实验目的、方法、过程及结论。 三、操作过程 1、启动Jade 6.0，并打开实验数据。 2、点击图标使图谱平滑后，再连续两次点击图标扣除背景影响。 3、右击工具栏中的图标，全选左侧的项目，取消选择右侧中的Use Chemistry Filter，最后在下方选择S/M Focus on Major Phases（如图一），并点击OK。 图一

4、得到物相分析，根据FOM值（越小，匹配性越高）可推断出该物相为以ZnO为主，可能含有CaF2、Al2O3、Mg(OH)2混合组成的物质（如图二），双击第一种物质可以得到主晶相的PDF卡片（如图三），点击图三版面中的Lines可以观察到不同角度处的衍射强度（如图四）。 图二

IV常用表面分析技术简介

IV 常用表面分析技术简介 一常用表面分析技术 (3) 二几种最常用表面成分分析技术比较 (5) 三材料表面分析的基本内容和分析方法 (8)

一常用表面分析技术 表面分析技术是建立在超高真空电子离子光学微弱信号检测计算机技术等基础上的一门综合性技术表面分析技术通过用一束粒子或某种手段作为探针来探测样品表面这些探针可以是电子离子光子电场和热在探针的作用下从样品表面发射或散射粒子或波它们可以是电子离子中性粒子或光子这些粒子携带着表面的信息检测这些粒子的能量动量分布荷质比束流强度等特征或波的频率方向强度偏振等情况就可得到有关表面的信息 现代表面分析技术已发展出数十种而且新的分析方法仍在不断出现 1. 电子能谱 XPS AES UPS EELS 2. 离子谱 SIMS ISS MEIS SNMS 3. 表面结构测定 SEXAFS LEED RHEED PD 4. 成像技术 STM AFM APFIM PEEM 5. 表面振动谱 EELS RAIRS SERS INS SFG

表4-1常用的表面分析方法按入射粒子和检测粒子分 入射粒子 检测 粒子 分析方法名称 简称 主要用途 E e e e e e e γ I 低能电子衍射 反射式高能电子衍射 俄歇电子能谱 扫描俄歇探针 电子能量损失谱 高分辨电子能量损失谱 能量色散X 射线分析 电子诱导脱附 LEED RHEED AES SAM EELS HREELS EDX ESD 结构 结构 成分 微区分析 原子及电子态 原子及电子态 成分 吸附原子态及其成分 I I I I e γ 二次离子质谱 扫描二次离子质谱 (低能)离子散射谱 离子中和谱 离子激发X 射线谱 SIMS SSIMS ISS INS IEXS 成分 成分 成分结构 最表层电子态 原子及电子态 γ e e e e e γ γ γ I X 射线光电子能谱 图象X 射线光电子能谱 紫外光电子能谱 同步辐射光电子能谱 角分辨光电子能谱 反射吸收红外谱 表面强化拉曼散射谱 表面灵敏扩展X 射线 吸收精细结构 光子诱导脱附 XPS iXPS UPS SRPES ARPES RAIRS SERS SEXAFS PSD 成分化学态 化学像 电子态 成分原子及电子态 原子及电子态结构 结构 原子态 E e e I I 扫描隧道显微镜 场发射显微镜 原子探针场离子显微镜 场离子显微镜 STM FEM APFIM FIM 形貌 结构 结构 结构 N N I I 分子束散射 快速原子轰击质谱 快速原子轰击二次离子质谱 MBS FABMS FABSIMS 结构原子态 成分 T n 热脱附谱 TDS 原子态

XPS实验报告

X射线光电子能谱分析实验报告 一实验目的 1 了解X射线光电子能谱的产生原理； 2 掌握X射线光电子能谱的定性分析和定量分析依据； 3 了解X射线光电子能谱仪的基本结构； 4 掌握X射线光电子能谱的谱图处理和分析过程。 二实验原理 1 X射线光电子能谱的产生 固体表面分析业已发展为一种常用的仪器分析方法，特别是对于固体材料的分析和元素化学价态分析。目前常用的表面成分分析方法有：X射线光电子能谱（XPS）, 俄歇电子能谱(AES)，静态二次离子质谱(SIMS)和离子散射谱(ISS)。AES分析主要应用于物理方面的固体材料科学的研究，而XPS的应用面则广泛得多，更适合于化学领域的研究。SIMS和ISS 由于定量效果较差，在常规表面分析中的应用相对较少。但近年随着飞行时间质谱（TOF-SIMS）的发展，使得质谱在表面分析上的应用也逐渐增加。下面主要介绍X射线光电子能谱的实验方法。 X射线光电子能谱（XPS）也被称作化学分析用电子能谱（ESCA）。该方法是在六十年代由瑞典科学家Kai Siegbahn教授发展起来的。由于在光电子能谱的理论和技术上的重大贡献，1981年，Kai Siegbahn获得了诺贝尔物理奖。三十多年的来，X射线光电子能谱无论在理论上和实验技术上都已获得了长足的发展。XPS已从刚开始主要用来对化学元素的定性分析，业已发展为表面元素定性、半定量分析及元素化学价态分析的重要手段。XPS的研究领域也不再局限于传统的化学分析，而扩展到现代迅猛发展的材料学科。目前该分析方法在日常表面分析工作中的份额约50%，是一种最主要的表面分析工具。 在XPS谱仪技术发展方面也取得了巨大的进展。在X射线源上，已从原来的激发能固定的射线源发展到利用同步辐射获得X射线能量单色化并连续可调的激发源；传统的固定式X射线源也发展到电子束扫描金属靶所产生的可扫描式X射线源；X射线的束斑直径也实现了微型化，最小的束斑直径已能达到6微米大小, 使得XPS在微区分析上的应用得到了大幅度的加强。图像XPS技术的发展，大大促进了XPS在新材料研究上的应用。在谱仪的能量分析检测器方面，也从传统的单通道电子倍增器检测器发展到位置灵敏检测器和多通道检测器，使得检测灵敏度获得了大幅度的提高。计算机系统的广泛采用，使得采样速度和谱图的解析能力也有了很大的提高。

实验1紫外-可见吸收光谱实验报告

实验一：紫外-可见吸收光谱 实验目的 1. 熟悉和掌握紫外-可见吸收光谱的使用方法 2. 用紫外-可见吸收光谱测定某一位置样品浓度 3. 定性判断和分析溶液中所含物质种类实验原理 紫外吸收光谱的波长范围在200~400,可见光吸收光谱的波长在 400~800,两者都属于电子能谱，两者都可以用朗伯比尔(Lamber-Beer'Law) 定律来描述 A=￡ bc 其中A为吸光度；￡为光被吸收的比例系数；c为吸光物质的浓度，单位mol/L; b为吸收层厚度，单位cm 有机化合物的紫外-可见吸收光谱，是其分子中外层价电子跃迁的结果，其中包括有形成单键的 c电子、有形成双键的n电子、有 未成键的孤对n电子。外层电子吸 收紫外或者可见辐射后，就从基态 向激发态 (反键轨道)跃迁。主要有 四种跃迁，所需能量圧大小顺序 为nf >n^n* 吸收带特征典型基团 cfc *主要发生在远紫外区C-C、C-H (在紫外光区观测不到) n fc *跃迁一般发生在150~250nm，因此在紫 外区不易观察到 -OH、-NH 2、-X、-S nfn *跃迁吸收带波长较长，孤立跃迁一般发 生在200nm左右 芳香环 n fn *跃迁一般发生在近紫外区(200~400nm ) C=O、C=s、一N=O、一N=N ―、C=N ; 三、实验步骤 1、开机 打开紫外-可见分光光度计开关f开电脑f软件f联接f M (光谱方法)进行调节实验需要的参数：波长范围700-365nm 扫描速度高速；采样间隔：0.5 nm 2、甲基紫的测定 (1)校准基线 将空白样品（水）放到比色槽中，点击“基线”键，进行基线校准 （2）标准曲线的测定 分别将5ug/ml、10ug/ml、15ug/ml、20ug/ml甲基紫溶液移入比色皿（大 约23处），放到比色槽中，点击“开始”键，进行扫描，保存