XPS学习笔记(一)
XPS全称为(X-ray photoelectron spectroscopy)，即X射线光电子能谱。主要用于分析材料表面化学元素的组成，化学价态及分布。
XPS图谱代表了原子能级的分布情况，不同元素原子的分布不同，XPS能谱的特征峰也就不同，从而可以区别不同元素。
原子中单个电子的运动状态可以用4个量子数nnn，lll，mlm_{\rm l}ml，msm_{\rm s}ms来描述。
- nnn为主量子数，电子的能量主要就取决于nnn，nnn值越大，电子能量越高。nnn的取值范围为n=1，2，3，4...n=1，2，3，4...n=1，2，3，4...，分别对应K，L，M，N，…电子壳层。
- lll为角量子数，决定了电子云的几何形状，不同的l值对应电子壳层的几个亚层，即能级。l的取值范围为l=0，1，2，3，...，（n−1）l=0，1，2，3，...，（n-1）l=0，1，2，3，...，（n−1）。通常用s，p，d，f...s，p，d，f...s，p，d，f...来表示。具体来说，当n=1n=1n=1时，lll只能取0；n=2n=2n=2时，lll可以取0，1。以此类推。在给定壳层的能级上，电子的能量随着l值的增加略有增加。
- mlm_{\rm l}ml为磁量子数，决定了电子云在空间的取向。取值范围为ml=0，±1，±2，...±lm_{\rm l}=0，±1，±2，...±lml=0，±1，±2，...±l。即若l=0，mlm_{\rm l}ml只能为0；若l=1，则ml=−1,0,+1m_{\rm l}=-1,0,+1ml=−1,0,+1；以此类推。
- msm_{\rm s}ms为自旋量子数，表示电子自旋的取向，可以取+1/2和-1/2两个值。
内量子数jjj是起源于自旋轨道耦合作用(SOC)引起的能级分裂，其主要对于l>0l>0l>0的内壳层起作用，取值为：j=l+ms，l−ms，ms=1/2j=l+m_{s}，l-m_{s}，m_{s}=1/2j=l+ms，l−ms，ms=1/2。当l=0时，j=1/2；当l=1，j=3/2，1/2。以此类推。也就是说，除了s亚壳层(l=0)外，l>0的各亚壳层都会分裂成2个能级，体现在XPS图谱上就是双峰。
由于电子能谱实验通常是在无外磁场作用下进行的，所以磁量子数mlm_{\rm l}ml是简并的。在电子能谱中，用n、l 和j 三个量子数来表征内层电子的运动状态。举例来说，XPS图谱中3d5/23\rm d_{5/2}3d5/2中3，d，5/2分别为n，l，j。即单个原子能级用两个数字和一个小写字母表示。
上图为C1s，Ti2p，W4f和Ag3d的XPS能谱图，值得注意的是C1s中n=1，l=0，因而只出现了单峰，其余l>0的元素出现了XPS双峰。
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