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出现电势谱

[拼音]:chuxian dianshipu

[外文]:appearance potential spectroscopy

表面分析用芯能级谱的一个大类。简称 APS。它用能量逐渐增长(50→1500电子伏)的电子轰击固体表面。并测定次级粒子的产额。当入射电子的能量E0超过某一阈值(相当于某一出现电势)时,就有可能激发固体原子,使某一芯能级EB上的电子跃迁到费密能级E0以上空带中的某一位置,而在该能级上留下空穴,如图1a所示;然后在退激发(电子重新落入空穴)时将产生俄歇电子或相当于芯能级束缚能(EB-E0)的标识X射线,如图1b所示。因此测定次级粒子流强度I与入射电子能量 E0之间的关系就可以得到一种相当于测定芯能级束缚能的谱,可用作元素分析以判明固体表面的成分。由于不同元素的各个芯能级束缚能相差很大,所以APS的谱线清晰易读(图2),不会发生混淆;加以不需要能量分析器,仪器结构比较简单,所以是一种很有用的表面分析方法。

上述方法还可以按所测粒子的种类分为“软X射线出现电势谱(SXAPS)”和“俄歇电子出现电势谱(AEAPS)”两种。前者灵敏度较低,一般需要毫安级的入射电子流,因而用于测定较深的芯能级(束缚能>500eV)时,可能会在样品表面造成损伤。后者灵敏度较高,只需要10µA左右的入射电子流,损伤可以忽略,但缺点是较低能量(<300eV)的电子出射时会由于固体原子的衍射而产生附加信息,干扰正常谱的读出。所以合理的办法是在较低能量时用SXAPS而在较高能量时用AEAPS。

从理论上说来,入射粒子也可以采用适当(相当于软X 射线波段)的光子,这样可完全避免对样品表面的损伤。但鉴于单色性良好的X射线源(例如同步辐射)目前尚不普遍,有人就使用能量渐变的电子轰击金属靶所产生的赝单色X 射线源作为入射粒子,而测定俄歇电子的产额。这就是所谓“X 射线光电子出现电势谱(XPAPS)”。但实验结果表明这种方法的灵敏度很低,不适于一般的表面分析。然而,如用某一元素的标识X 射线来照射另一个表面含有这一元素的样品,则后者所对应的芯能级上的电子会产生共振跃迁,而在退激发时再产生俄歇电子。具体的作法是把同一固体材料分为两块:一块作为受电子轰击的X 射线管阳极(靶),另一块作为被测样品。逐渐改变阳极电压至某一阈值(出现电势)而测定样品的出射电子产额,可得到“共振光电子出现电势谱(RPAPS) ”。由于共振跃迁具有选择性滤波功能,因此RPAPS的灵敏度和分辨率都优于一般的出现电势谱,只是样品的制备要略为复杂一些。

已经发现,出现电势谱对各元素的相对灵敏度与俄歇电子谱(AES)不同,它对碳、氧、硫并不特别灵敏,却能对3d和4f过渡金属给出较佳灵敏度,因此适于作为探测这一类元素的表面分析。在能谱研究方面,APS能给出空带态密度的信息,而AES给出的是满带态密度信息,二者是互补的。从APS也能看出氧化造成的谱位移,但不如X射线光电子谱(XPS)清晰。此外,也有人用AEAPS的谱边形状来测定表面结构。这种方法称为“扩展出现电势精细结构(EAPFS)”,与扩展X 射线吸收精细结构(EXAFS)的原理相类似,由于存在问题,目前尚用得不多。

同 APS的物理过程相类似的,还有一种消隐电势谱(DAPS)。由于入射电子能量达到阈值时有一部分激发芯能级电子失去其能量,然后在固体中消隐,因此如观察准弹性反射的电子流就会发现骤降,这同样可作为固体原子EB的指示。实际上这就是APS的负过程。DAPS的特点是只与激发过程有关,而不受退激发过程的干扰;而且由于所观察的电子是从表面进入和发出的同一电子,因此比APS或AES更为“表面灵敏”(一般为1~3个原子层的信息)。但是DAPS要使用电子能量分析器以分离出电子流中准弹性反射的部分,因此仪器结构要比APS复杂。

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