CN105259197A - 光照-x射线光电子能谱同步分析测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光照-X射线光电子能谱同步分析测试装置，该装置包括置于真空腔室内的X射线源、电子传输透镜、电子能量分析器和检测器，该装置还包括外载光源，该外载光源包括光源探头、光源发生器和光源控制器；光源发生器置于真空腔室的外部,其与光源探头和光源控制器相连；光源探头发出的光照射样品表面；光源控制器设置于真空腔室的外部。本发明在目前的X射线光电子能谱技术上增加一种外载光源，实现了外载光源及X射线同步照射材料表面进行物性分析，扩展了X射线光电子能谱表征分析技术应用范围，进而可以准确研究材料内部的物理性质。

Description

光照-X射线光电子能谱同步分析测试装置

技术领域

本发明涉及一种光照-X射线光电子能谱同步分析测试装置，属于X射线光电子能谱分析测试技术领域。

背景技术

X射线光电子能谱技术是一种重要的表面分析手段。该技术是基于光电效应，当一束X光照射到材料表面时，光子可以被材料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。光电子被系统的能量分析器所探测，分析器对不同动能的电子数目进行记录和统计，就可以回溯得到电子在样品内部的结合能信息，这些信息反映的是材料内部的元素组成和元素化学态信息。X射线光电子能谱仪一般由超高真空系统、激发源（X射线光源）、电子能量分析器、检测器和数据系统，以及其它附件等构成。

XPS主要分析材料表面以下1纳米到10纳米范围内的样品元素组成及化合态。XPS能够检测到所有原子序数大于等于3的元素（即包括锂及所有比锂重的元素）。此外，X射线光电子能谱技术具有不损伤样品、无污染、快捷、测量精度高，因而已成为材料表面科学研究最重要的手段之一，并被广泛应用于化学分析、材料开发应用研究、物理理论探讨等学术领域，以及机械加工、印刷电路技术、镀膜材料工艺控制、纳米功能材料开发等工业领域。

但是，目前的X射线光电子能谱技术只使用单一激发光源，无法实现外载光源照射下的X射线光电子能谱分析测试，严重限制了光电材料内部的电荷分离与迁移性质方面研究。基于此，如何实现两种光源同步照射下的电子能谱分析技术成为本领域相关人员亟待解决的一个重要技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光照-X射线光电子能谱同步分析测试装置，用以实现外载光源及X射线同步照射材料表面进行物性分析。

一种光照-X射线光电子能谱同步分析测试装置，包括置于真空腔室内的X射线源、电子传输透镜、电子能量分析器和检测器，其特征在于该装置还包括外载光源，该外载光源包括光源探头、光源发生器和光源控制器；所述光源发生器置于真空腔室的外部,其与光源探头和光源控制器相连；所述光源探头发出的光照射样品表面；所述光源控制器设置于真空腔室的外部，能够通过光源发生器自动控制光源探头所提供的光的光照强度及波长。

所述光源探头置于真空腔室的外部，且真空腔室壁上设有与其对应设置的光学窗口。

所述光源探头置于真空腔室内。

所述光源发生器为太阳能模拟器、氙灯、LED光源、激光器中的一种。其中，太阳能模拟器可提供光源的波长范围为180nm～3000nm，强度为1～1000mW/cm²；氙灯可提供光源的波长范围为190nm～1100nm，强度为1～2000mW/cm²；LED光源可提供光源的波长范围为180nm～3000nm，强度为1～1000mW/cm²；激光器可提供光源的波长范围为180nm～3000nm，强度为1～10¹⁵mW/cm²。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

在目前的X射线光电子能谱技术只使用单一激发光源的前提下，增加一种外载光源，能够实现外载光源及X射线同步照射材料表面进行物性分析，扩展了X射线光电子能谱表征分析技术应用范围，能够在光照条件下对材料的表面进行X射线光电子能谱表征，进而可以准确研究材料内部的物理性质。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中：1-X射线源，2-光源发生器，3-电子能量分析器，4-检测器，5-样品，6-真空腔室。

图2为在紫外光照射及无光照条件下，Bi/TiO₂纳米管阵列的X射线光电子能谱图。其中：曲线1为紫外光条件，2为无光照条件。

图3为在可见光照射及无光照条件下，BiVO₄多孔纳米光电极的X射线光电子能谱图。其中：曲线1为可见光条件，2为无光照条件。

图4为在LED光照射及无光照条件下，Bi₂MoO₆/ZnO纳米棒阵列的X射线光电子能谱图。其中：曲线1为LED光条件，2为无光照条件。

图5为在可见光照射及无光照条件下，SrTiO₃/TiO₂异质结纳米管阵列的X射线光电子能谱图。其中：曲线1为可见光条件，2为无光照条件。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种光照-X射线光电子能谱同步分析测试装置，包括置于真空腔室6内的X射线源1、电子传输透镜、电子能量分析器3和检测器4，该装置还包括外载光源，该外载光源包括光源探头、光源发生器2和光源控制器；光源发生器2置于真空腔室6的外部，其与光源探头和光源控制器相连；光源探头发出的光照射样品5表面；光源控制器设置于真空腔室6的外部，能够通过光源发生器2自动控制光源探头所提供的光的光照强度及波长。

光源探头置于真空腔室6的外部，且真空腔室6壁上设有与其对应设置的光学窗口。

光源探头置于真空腔室6内。

光源发生器2为太阳能模拟器、氙灯、LED光源、激光器中的一种。其中，太阳能模拟器可提供光源的波长范围为180nm～3000nm，强度为1～1000mW/cm2；氙灯可提供光源的波长范围为190nm～1100nm，强度为1～2000mW/cm²；LED光源可提供光源的波长范围为180nm～3000nm，强度为1～1000mW/cm²；激光器可提供光源的波长范围为180nm～3000nm，强度为1～10¹⁵mW/cm²。

本发明装置的具体使用方法为：将样品5放置于真空腔室6内部，开启光源发生器2，并同时开启光源控制器，利用光源控制器控制合适光源及其需要的波长和强度，然后将光源探头直接对准样品5照射，同时开启X射线光源进行样品能谱分析，电子能量分析器3将捕捉到的电子分析后通过检测器4转化成最终得到的数据谱图信息。

实施例2

在紫外光照射下，对Bi/TiO₂纳米管阵列进行X射线光电子能谱分析，同时将该结果与无光照条件下进行对比。具体步骤为先在无光照条件下对Bi/TiO₂纳米管阵列进行X射线光电子能谱分析，再在紫外光照射下对Bi/TiO₂纳米管阵列进行X射线光电子能谱分析。其中测试条件为：紫外光波长为300nm，强度为100mW/cm²，光照时间为2min。

根据ThermoFisher公司出版的电子能谱标准参考手册《XPSandAugerHandbook》，使用单色Alkα作为X射线源时，金属Bi4f_7/2峰的峰位在157.0eV附近，Bi₂O₃中的Bi4f_7/2峰的峰位在159.0eV附近，TiO₂中的Ti2p_3/2峰和O1s峰的峰位分别在458.5eV附近和529~530.0eV之间。污染C1s峰的峰位在284.8eV。

Bi/TiO₂纳米管阵列在紫外光照射及无光照情况下的X射线光电子能谱图如图2所示，在无光照下，Bi4f_7/2峰的峰位在159.5eV，为Bi₂O₃中的Bi4f_7/2峰；在紫外光照射下，Bi4f_7/2峰出现两个峰，一个在157.0eV，为金属Bi4f_7/2峰，另一个在159.2eV，为Bi₂O₃中的Bi4f_7/2峰。而Ti2p_3/2峰的峰位和O1s峰的峰位在紫外光照射前后不发生位移，分别在458.5eV和530.0eV。结果表明：在紫外光条件下，Bi4f_7/2峰的峰位向较低结合能方向移动，并且会产生金属Bi的Bi4f_7/2峰，这说明在光激发下，跃迁的电子向Bi离子富集，并且有少量的三价铋离子会被还原为金属铋，而Ti2p_3/2峰和O1s峰的峰位不发生位移，从而可以分析在紫外光照射条件下Bi/TiO₂内部电子的变化情况。

实施例3

在可见光照射下，对BiVO₄多孔纳米光电极进行X射线光电子能谱分析，同时将该结果与无光照条件下进行对比。具体步骤为先在无光照条件下对BiVO₄多孔纳米光电极进行X射线光电子能谱分析，再在可见光照射下对BiVO₄多孔纳米光电极进行X射线光电子能谱分析。其中测试条件为：可见光波长为450nm，强度为200mW/cm²，光照时间为2min。

根据ThermoFisher公司出版的电子能谱标准参考手册《XPSandAugerHandbook》，使用单色Alkα作为X射线源时，Bi（Ⅲ）的Bi4f_7/2峰的峰位在159.0eV附近，V(Ⅴ)的V2p_3/2峰的峰位在516.4~517.4eV之间,O1s峰的峰位在529~530.0eV之间。污染C1s峰的峰位在284.8eV。

BiVO₄多孔纳米光电极在可见光照射及无光照情况下的X射线光电子能谱图如图3所示，在无光照下，Bi4f_7/2峰的峰位在158.7eV，V2p_3/2峰的峰位在516.5eV，O1s峰（吸附氧）的峰位在532.1eV；在可见光照射下，Bi4f_7/2峰的峰位在158.5eV，V2p_3/2峰的峰位在516.3eV，O1s峰（吸附氧）的峰位在532.3eV。结果表明：在可见光激发下，Bi4f_7/2峰和V2p_3/2峰的峰位向较低结合能方向移动，而O1s峰（吸附氧）的峰位向较高结合能方向移动，说明电子从氧元素激发转移到铋和钒元素，该结果可以分析在光照条件下BiVO₄多孔光电极内部电子和空穴的迁移情况。

实施例4

在LED光照射下，对Bi₂MoO₆/ZnO纳米棒阵列进行X射线光电子能谱分析，同时将该结果与无光照条件下进行对比。具体步骤为先在无光照条件下对Bi₂MoO₆/ZnO纳米棒阵列进行X射线光电子能谱分析，再在LED光照射下对Bi₂MoO₆/ZnO纳米棒阵列进行X射线光电子能谱分析。其中测试条件为：LED光范围为870nm～1300nm，强度为50mW/cm²，光照时间为5min。

根据ThermoFisher公司出版的电子能谱标准参考手册《XPSandAugerHandbook》，使用单色Alkα作为X射线源时，Bi（Ⅲ）的Bi4f_7/2峰的峰位在159.0eV附近，Mo（Ⅵ）的Mo3d_5/2峰的峰位在233.1eV附近，ZnO的Zn2p_3/2峰的峰位在1022.0eV附近。污染C1s峰的峰位在284.8eV。

Bi₂MoO₆/ZnO纳米棒阵列在LED光照射及无光照情况下的X射线光电子能谱图如图4所示，在无光照下，Bi4f_7/2峰的峰位在159.5eV，Mo3d_5/2峰的峰位在232.0eV，Zn2p_3/2峰的峰位在1021.8eV；在LED光照射下，Bi4f_7/2峰的峰位在158.9eV，Mo3d_5/2峰的峰位在232.2eV，Zn2p_3/2峰的峰位在1021.8eV。结果表明：在LED光激发下，Bi4f_7/2峰和Mo3d_5/2峰的峰位向较高结合能方向移动，而Zn2p_3/2峰的峰位不变，说明Bi₂MoO₆/ZnO内部电子的变化情况是钼酸铋在光照下被激发，而氧化锌没有被激发，来自于钼酸铋的电子沿着氧化锌纳米棒进行了传输。

实施例5

在可见光照射下，对SrTiO₃/TiO₂异质结纳米管阵列进行X射线光电子能谱分析，同时将该结果与无光照条件下进行对比。具体步骤为先在无光照条件下对SrTiO₃/TiO₂异质结纳米管阵列进行X射线光电子能谱分析，再在可见光照射下对SrTiO₃/TiO₂异质结纳米管阵列进行X射线光电子能谱分析。其中测试条件为：可见光波长为500nm，强度为300mW/cm²，光照时间为2min。

根据ThermoFisher公司出版的电子能谱标准参考手册《XPSandAugerHandbook》，使用单色Alkα作为X射线源时，SrTiO₃的Sr3d_5/2峰的峰位在133.1eV附近，Ti(Ⅳ)的Ti2p_3/2峰的峰位在458.4eV附近,O1s峰的峰位在529~530.0eV。污染C1s峰的峰位在284.8eV。

SrTiO₃/TiO₂异质结纳米管阵列在可见光照射及无光照情况下的X射线光电子能谱图如图5所示，在无光照下，Sr3d_5/2峰的峰位在132.5eV，Ti(Ⅳ)的Ti2p_3/2峰的峰位在458.4eV,O1s峰的峰位在529.5eV；在可见光照射下，Sr3d_5/2峰的峰位在132.9eV，Ti(Ⅳ)的Ti2p_3/2峰的峰位在458.6eV，O1s峰的峰位在529.7eV。结果表明：在可见光激发下，Sr3d_5/2峰、Ti2p_3/2峰和O1s峰的峰位均向高结合能方向移动，说明电子向TiO₂纳米管富集而空穴向SrTiO₃输送，能够直观地展现了这种异质结材料内部的电子-空穴分离输运机理。

Claims (8)

1.一种光照-X射线光电子能谱同步分析测试装置，包括置于真空腔室（6）内的X射线源（1）、电子传输透镜、电子能量分析器（3）和检测器（4），其特征在于该装置还包括外载光源，该外载光源包括光源探头、光源发生器（2）和光源控制器；所述光源发生器（2）置于真空腔室（6）的外部，其与光源探头和光源控制器相连；所述光源探头发出的光照射样品（5）表面；所述光源控制器设置于真空腔室（6）的外部。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述光源探头置于真空腔室（6）的外部，且真空腔室（6）壁上设有与其对应设置的光学窗口。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述光源探头置于真空腔室（6）内。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述光源发生器（2）为太阳能模拟器、氙灯、LED光源、激光器中的一种。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于所述太阳能模拟器所提供光源的波长范围为180nm～3000nm，强度为1～1000mW/cm²。

6.如权利要求4所述的装置，其特征在于所述氙灯所提供光源的波长范围为190nm～1100nm，强度为1～2000mW/cm²。

7.如权利要求4所述的装置，其特征在于所述LED光源所提供光源的波长范围为180nm～3000nm，强度为1～1000mW/cm²。

8.如权利要求4所述的装置，其特征在于所述激光器所提供光源的波长范围为180nm～3000nm，强度为1～10¹⁵mW/cm²。