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第二十三章 X射线光电子能谱

1954年以瑞典Siegbahn教授为首的研究小组观测光峰现象，不久又发现了原子内层电子能级的化学位移效应，于是提出了ESCA(化学分析电子光谱学)这一概念。由于这种方法使用了铝、镁靶材发射的软X射线，故也称为X-光电子能谱(X-ray Photoelectron Spectroscopy)。X光电子能谱分析技术已成为表面分析中的常规分析技术，目前在催化化学、新材料研制、微电子、陶瓷材料等方面得到了广泛的应用。

23.1 基本原理

固体表面分析，特别是对固体材料的分析和元素化学价态分析，已发展为一种常用的仪器分析方法。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（导电材料）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二次离子质谱（TOF-SIMS）的发展，使得质谱在表面分析上的应用也逐渐增加。

X射线光电子能谱最初是由瑞典科学家K.Siegbahn等经过约20年的努力而建立起来的，因在化学领域的广泛应用，被称为化学分析用电子能谱（ESCA）。由于最初的光源采用了铝、镁等的特性软X射线，该技术又称为X射线光电子能谱（XPS）。1962年，英国科学家D.W.Turner等建造出以真空紫外光作为光源的光电子能谱仪，在分析分子内价电子的状态方面获得了巨大成功，同时又用于固体价带的研究，与X射线光电子能谱相对照，该方法称为紫外光电子能谱（UPS）

XPS的原理是基于光的电离作用。当一束光子辐射到样品表面时，样品中某一元素的原子轨道上的电子吸收了光子的能量，使得该电子脱离原子的束缚，以一定的动能从原子内部发射出来，成为自由电子，而原子本身则变成处于激发态的离子，如图23-1所示。在光电离过程中，固体物质的结合能可用下面的方程式表示：

E b=hγ- E k -φs（23-1）

式中: E k为射出的光子的动能；hγ为X射线源的能量；E b为特定原子轨道上电子的电离能或结合能（电子的结合能是指原子中某个轨道上的电子跃迁到表面Fermi能级（费米能级）所需要的能量）；φs为谱仪的功函数。

由于φs是由谱仪的材料和状态决定，对同一台谱仪来说是一个常数，与样品无关，其平均值为3 eV ~4eV。因此，（1）式可简化为：

E b =hγ- E k’ （23-2）

由于E k’可以用能谱仪的能量分析器检出，根据式（23-2）就可以知道E b。在XPS分析中，由于X射线源的能量较高，不仅能激发出原子轨道中的价电子，还可以激发出内层轨道电子，所射出光子的能量仅与入射光子的能量及原子轨道有关。因此，对于特定的单色激发光源及特定的原子轨道，其光电子的能量是特征性的。当固定激发光源能量时，其光子的能量仅与元素的种类和所电离激发的原子轨道有关，对于同一种元素的原子，不同轨道上的电子的结合能不同。所以可用光电子的结合能来确定元素种类。图23-1表示固体材料表面受X射线激发后的光电离过程[1]。

图23-1 固体材料表面光电过程的能量关系

另外，经X射线辐射后，在一定范围内，从样品表面射出的光电子强度与样品中该原子的浓度呈线性关系，因此，可通过XPS对元素进行半定量分析。但由于光电子的强度不仅与原子浓度有关，还与光电子的平均自由程、样品表面的清洁度、元素所处的化学状态、X射线源强度及仪器的状态有关。因此，XPS一般不能得到元素的绝对含量，得到的只是元素的相对含量。

虽然射出的光电子的结合能主要由元素的种类和激发轨道所决定，但由于原子外层电子所处化学环境不同，电子结合能存在一些微小的差异。这种结合能上的微小差异被称为化学位移，它取决于原子在样品中所处的化学环境。一般来说，原子获得额外电子时，化合价为负，结合能降低；反之，该原子失去电子时，化合价为正，结合能增加。利用化学位移可检测原子的化合价态和存在形式。除了化学位移，固体的热效应与表面荷电效应等物理因素也可能引起电子结合能的改变，从而导致光电子谱峰位移，称之为物理位移。因此，在应用XPS进行化学价态分析时，应尽量避免或消除物理位移。

23.2 仪器结构及工作原理

X射线光电子能谱仪由进样室、超高真空系统，X射线激发源、离子源、能量分析系统及计算机数据采集和处理系统等组成。图23-2为仪器的结构框图，图23-3为仪器外观。

图23-2 仪器的结构框图

图23-3 仪器外观构造

1)进样室

X射线光电子能谱仪配备有快速进样室，其目的是在不破坏分析室超高真空的情况下能进行快速进样。快速进样室的体积很小，以便能在5分钟～10分钟内能达到10-3 Pa的高真

空。图23-4为样品传送系统的内部结构。

图23-4样品传送系统的内部结构

2)超高真空系统

在X射线光电子能谱仪中必须采用超高真空系统，主要是出于两方面的原因。首先，XPS是一种表面分析技术，如果分析室的真空度很差，在很短的时间内试样的清洁表面就可能被真空中的残余气体分子所覆盖。其次，由于光电子的信号和能量都非常弱，如果真空度较差，光电子很容易与真空中的残余气体分子发生碰撞作用而损失能量，最后不能到达检测器。在X射线光电子能谱仪中，为了使分析室的真空度能达到10-8Pa，一般采用三级真空

泵系统。图23-5为真空室内部构造。

图23-5 真空室内部构造

3）X射线激发源

处于原子内壳层的电子结合能较高，要把它打出来需要能量较高的光子,以镁或铝作为阳极材料的X射线源得到的光子能量分别为1253.6电子伏和1486.6电子伏，在此范围内的光子能量足以把原子质量较小的原子的1s电子打出来。本仪器的X射线源为Al Kα, 经单色化处理以后，线宽可从0.8 eV降低到0.2 eV，并可以消除X射线中的杂线和韧致辐射。

4）离子源

在XPS中配备离子源的目的是对样品表面进行清洁或对样品表面进行定量剥离。在XPS 谱仪中，常采用Ar离子源。Ar离子源又可分为固定式和扫描式。固定式Ar离子源由于不能进行扫描剥离，对样品表面刻蚀的均匀性较差，仅用作表面清洁。对于进行深度分析用的离子源，应采用扫描式Ar离子源。

另外，由于Ar离子半径小，对样品的穿透性强，在对高分子样品表面进行清洁处理时，可能改变样品表面及亚表面的化学状态。而对样品进行定量剥离时，较难控制剥离深度，本仪器除配有Ar离子源外，还配备了C60枪，由于C60分子半径大，能量密度小，在对高分子材料进行样品表面清洁和刻蚀处理时，不会造成表面化学键的断裂及达到定量剥离的效果。图23-6为配备的C60枪的外观结构。

图23-6C60枪形貌

5)能量分析器

X射线光电子的能量分析器有两种类型，半球型分析器和筒镜型能量分析器。半球型能量分析器由于具有对光电子的传输效率高和能量分辨率好等特点，多用在XPS谱仪上。而筒镜型能量分析器由于对俄歇电子的传输效率高，主要用在俄歇电子能谱仪上。对于一些多功能电子能谱仪，由于考虑到XPS和AES的共用性和使用的侧重点，选用能量分析器主

要依据哪一种分析方法为主。以XPS为主的采用半球型能量分析器，而以俄歇为主的则采用筒镜型能量分析器。

6)计算机系统

由于X射线电子能谱仪的数据采集和控制十分复杂，谱图的计算机处理也是一个重要的部分。如元素的自动标识、半定量计算，谱峰的拟合等。

23.3 应用简介

XPS电子能谱曲线的横坐标是电子结合能，纵坐标是光电子的测量强度（如图23-7、23-8所示）。可以根据XPS电子结合能标准手册（表23-1、表23-2列出了部分数据）对被分析元素进行鉴定。

XPS是当代谱学领域中最活跃的分支之一，虽然只有十几年的历史，但其发展速度很快，在电子工业、化学化工、能源、冶金、生物医学和环境中得到了广泛应用。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。

当元素处于化合物状态时，与纯元素相比，电子的结合能有一些小的变化，称为化学位移，表现在电子能谱曲线上就是谱峰发生少量平移。通过测量化学位移，可以了解原子的状态和化学键的情况。

例如，Al2O3中的3价铝与纯铝（0价）的电子结合能存在大约3电子伏特的化学位移差别，而氧化铜(CuO)与氧化亚铜(Cu2O)的化学位移约相差1.6电子伏特。这样就可以通过化学位移的测量确定元素的化合状态，从而更好地研究表面成份的变化情况。

Yoshie Ishikawa等[2]研究了用光催化剂TiO2对SiC晶体进行表面处理的XPS能谱(见图23-7)。图中给出了经过不同方法表面处理SiC1小时后Si2p的光电子能谱。Si表示测定元素Si的结合能，Si右下角第一个数字代表主量子数，第二项为小写的英文字母，代表电子轨道角量子数。Si2p谱意即硅元素电子结构为Si2p的内壳层电子结合能谱。图中横坐标表示结合能，单位为电子伏特（eV），纵坐标表示受X射线照射而发射出的光量子强度，一般可以不表示出来。从图23-7可以看到，(a)方式处理后，SiC与TiO2发生相互作用，在SiC表面出现了Si4+的能谱峰；(b)方式只沉积TiO2不辐射，则没有Si4+的能谱峰；(c)中也未观测到Si4+的能谱峰；(d)中有微弱的Si4+的能谱峰。通过光电子能谱表面分析结果说明，由于光的辐射，空气中的O2或O3将SiC中的Si氧化，同时根据XPS的定量分析结果，表面O/Si4+的原子比率约为2，说明Si被氧化成SiO2。

图23-7不同方法表面处理SiC后Si2p的光电子能谱

(a) 表面沉积TiO2并且光照1h；(b) 表面沉积TiO2但置于黑暗中；(c) 表面沉积TiO2并

且用λ＞400 nm的光辐射1 h；(d) 表面不沉积TiO2仅用λ＞400 nm的光辐射1 h

图23-8分别为（a）聚乙烯，（b）聚苯乙烯和（c）聚对苯二甲酸乙二醇酯的C1s谱[3]。

(a)中碳元素的C1s结合能值为284.6 eV,是高分子中-CH2-结构的C1s峰值，此谱并无其他伴峰，表明样品由-CH2-结构组成，正好是聚乙烯的结构。C1s峰值为284.6 eV，一般用作结合能的标度。（b）中除了有一个与(a)相类似的强碳峰外，还有一个较弱且不太尖的小峰，称为驼峰，其位置距主峰约7 eV, 强度约为主峰的1/5,此伴峰是由于芳香环中π电子跃迁π→π*产生的。（c）中有多重峰结构，在碳强峰的高能侧有两个已化学位移了的小峰，根据此小峰的横坐标读数和表23-1列出的C1s基团位移值，即可查出这两个伴峰分别为C-O(285.8eV)和C=O(288.5eV)。

图23-8 三种聚合物的C1s谱的比较

表23-1 C1s的基团位移

又如，利用XPS分析和Ar+刻蚀相结合的方法，可分析Ti/Mo膜表面的化学元素及相应原子的电子结合能。分析结果表明：Ti膜及膜材料样品表面有大量的C、O元素；膜表面存在从衬底扩散至Ti膜的Mo元素。对样品刻蚀后Ti2p的XPS谱进行拟合表明：Ti膜表面的Ti由TiO2（约100％）和单质Ti组成，随着刻蚀时间的增加，部分TiO2还原至低价Ti；薄的薄膜表面中的Mo由单质Mo和MoO3组成，而厚的薄膜以单质Mo为主；表面C由石墨态和结合能为288.2eV～288.9 eV的碳化物组成。

23.4 XPS的特点及主要用途

23.4．1 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离后发射出光电子的能量分布，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）是一种高灵敏度超微量表面分析技术。分析所需试样约10-8 g 即可，绝对灵敏度高达10-18 g。

（5）X射线光电子能谱的采样深度与光电子的能量和材料的性质有关。一般定义X射线光电子能谱的采样深度为光电子平均自由程的3倍。根据平均自由程的数据可以大致估计各种材料的采样深度。一般对于金属样品为0.5nm～2 nm, 对于无机化合物为1nm～3 nm, 而对于有机物则为3nm～10 nm。

23.4.2 用途

（1）固体样品的表面组成分析，化学状态分析。

（2）元素成分的深度分析（角分辨方式、氩离子或C60刻蚀方式）。深度分析适合研究：纳米薄膜材料，微电子材料，催化剂，摩擦化学，高分子材料的表面和界面研究。

(3)可进行样品表面的微区分析，分析面积可小至10 nm。

23.5 实验用X射线光电子能谱仪分析硫化铜的表面结构与组成

1. 实验目的

(1) 掌握XPS的基本原理及用途。

(2) 了解和掌握XPS的定性分析方法以及在定性鉴定上的应用。

(3) 了解XPS的定量分析方法以及元素化学价态测定的方法。

(4) 掌握XPS对薄膜样品的表面刻蚀分析技术。

2. 实验仪器名称及主要性能参数

PHI QUANTERA ⅡSXM

真空度：6.7×10-8Pa

X-射线源：Al Kα单色化XPS

灵敏度及能量分辨率：X-ray Beam Energy

灵敏度束斑能量分辨Res..

> 15 kcps <20.0 μm <0.60 eV

> 45 kcps <20.0 μm<1.00 eV

> 60 kcps <20.0 μm<1.30 eV

> 1 Mcps Large Area <1.00 eV

3. 辅助设备、试剂与药品

无水乙醇、硫化铜（Cu x S）粉末样品、聚酯（PET）薄膜、导电胶、手套、消磁体

4. 实验原理

由于X射线源的能量较高，不仅能激发出原子轨道中的价电子，还可以激发出内层轨道电子，所射出光子的能量仅与入射光子的能量及原子轨道有关。因此，对于特定的单色激发光源及特定的原子轨道，其光电子的能量是特征性的。当固定激发光源能量时，其光子的能量仅与元素的种类和所电离激发的原子轨道有关，对于同一种元素的原子，不同轨道上的电子的结合能不同。所以可用光电子的结合能来确定元素种类。

经X射线辐射后，在一定范围内，从样品表面射出的光电子强度与样品中该原子的浓度呈线性关系，因此，可通过XPS对元素进行半定量分析。但由于光电子的强度不仅与原子浓度有关，还与光电子的平均自由程、样品表面的清洁度、元素所处的化学状态、X射线源强度及仪器的状态有关。因此，XPS一般不能得到元素的绝对含量，得到的只是元素的相对含量。

5. 实验步骤

1)样品的制备

要获得一张高质量的XPS谱图，必须采用正确的制样方法。不当的制样方法将导致灵敏度低、分辨率差，甚至得出错误的结果。XPS对分析的样品有特殊的要求，一般只能进行固体样品的分析。由于样品需要在真空中传递和放置，一般都要进行预处理。分述如下：

①样品的大小

由于在实验过程中样品必须通过传递杆，穿过超高真空隔离阀，送进样品分析室。因此，样品的尺寸必须符合一定的大小规范，以利于真空进样。对于块状样品和薄膜样品，其长宽最好小于10 mm, 高度小于5 mm。对于体积较大的样品则必须通过适当方法制备成合适大小的样品。但在制备过程中，必须考虑处理过程可能对表面成分和状态的影响。

②粉体样品

对于粉体样品有两种常用的制样方法。一种是用双面胶带直接把粉体固定在样品台上，另一种是把粉体样品压成薄片，然后再固定在样品台上。前者的优点是制样方便，样品用量少，预抽到高真空的时间较短，缺点是可能会引进胶带的成分。后者的优点是可以在真空中对样品进行处理，如加热，表面反应等，其信号强度也要比胶带法高得多。缺点是样品用量太大，抽到超高真空的时间太长。在普通的实验过程中，一般采用胶带法制样。

③含有挥发性物质的样品

对于含有挥发性物质的样品，在样品进入真空系统前必须清除掉挥发性物质。一般可以通过对样品加热或用溶剂清洗等方法。

④表面有污染的样品

对于表面有油等有机物污染的样品，在进入真空系统前必须用油溶性溶剂如环己烷，丙酮等清洗掉样品表面的油污，再用乙醇清洗掉有机溶剂，为了保证样品表面不被氧化，一般采用自然干燥。

⑤带有微弱磁性的样品

由于光电子带有负电荷，在微弱的磁场作用下，可以发生偏转。当样品具有磁性时，由样品表面出射的光电子就会在磁场的作用下偏离接收角，最后不能到达分析器。因此，得不到正确的XPS谱。此外，当样品的磁性很强时，还有可能使分析器头及样品架磁化，因此，绝对禁止带有磁性的样品进入分析室。一般对于具有弱磁性的样品，可以通过退磁的方法去掉样品的微弱磁性，然后就可以象正常样品一样进行分析。

2) 进样

将一定量粉末样品用胶带固定后，送入快速进样室。开启低真空阀，用机械泵和分子泵抽真空到10-3Pa。然后关闭低真空阀，开启高真空阀，使快速进样室与分析室连通，把样品送到分析室内的样品架上，关闭高真空阀。

3)仪器调整

待分析室真空度达到5×10-7 Pa后, 选择和启动X枪光源, 使功率上升到250 W。调整样品台位置和倾角，使掠射角为90度。

4)仪器参数设置和数据采集

定性分析的参数一般设置为：扫描的能量范围为0 eV ～1200 eV, 步长为1 eV/步, 分析器通能为89.0 eV, 扫描时间为2 min。

定量分析和化学价态分析的参数一般设置为：扫描的能量范围依据各元素而定, 扫描步长为0.05 eV/步，分析器的通能为37.25 eV, 收谱时间为5 min～10 min。

5)离子束溅射技术

由于大部分样品在进行光电子能谱分析前均处于大气环境,从而受到吸附污染,因此有必要对样品表面进行前期的清洁处理。常用的清洁技术是氩离子轰击技术,即高纯氩气在高能电子的碰撞作用下形成氩离子,氩离子在电场的作用下形成有方向性的氩离子束,并轰击到样品表面。不同能量的氩离子束对样品表面的轰击作用不同。低能氩离子束可将样品表面吸附的杂质除掉,起到清洁表面的作用。高能氩离子束则对样品起到剥离的作用,可对样品表面进行深度剖析,因此氩离子轰击也称为氩离子刻蚀。离子束最重要的应用则是样品表面组分的深度分析。利用离子束可定量地剥离一定厚度的表面层，然后再用XPS分析表面成分，这样就可以获得元素成分沿深度方向的分布图。作为深度分析的离子枪，一般采用0.5 KeV～5 KeV的Ar离子源。扫描离子束的束斑直径一般在1mm～10mm范围，溅射速率范围为0.1 nm/min～50 nm/min。为了提高深度分辨率，一般应采用间断溅射的方式。为了减少离子束的坑边效应，应增加离子束的直径。为了降低离子束的择优溅射效应及基底效应，应提高溅射速率和降低每次溅射的时间。在XPS分析中，离子束的溅射还原作用可以改变元素的存在状态，许多氧化物可以被还原成较低价态的氧化物，如Ti, Mo, Ta等。在研究溅射过的样品表面元素的化学价态时，应注意这种溅射还原效应的影响。此外，离子束的溅射速率不仅与离子束的能量和束流密度有关，还与溅射材料的性质有关。一般的深度分析所给出的深度值均是相对与某种标准物质的相对溅射速率。

高能氩离子(Ar+)作用在材料表面时,原理是高能离子将化合键打断,并轰击出某些原子,使表面的其它原子重新排布。由于各原子之间的键合能力不同,对氩离子轰击的承受能力也不同。因此,在溅射过程中, Ar+对较轻的元素原子产生择优溅射的作用,即较轻的元素原子被优先溅射出材料的表面，较重的金属原子溅射速率较慢。

Ar离子源主要用于金属或金属化合物的表面清洁或深度分布测试（深度剖析），而对于众多高分子材料和超薄薄膜的刻蚀，由于Ar离子能量高，对表面的穿透力较强，易破坏表面层。因而需要低能量的离子源。C60枪由于分子量大、能量低，可有效用于轻柔刻蚀。

6)样品荷电的校准

对于绝缘体样品或导电性能不好的样品，经X射线辐照后，其表面会产生一定的电荷积累，主要是荷正电荷。样品表面荷电相当于给从表面出射的自由的光电子增加了一定的额外电压, 使得测得的结合能比正常的要高。样品荷电问题非常复杂，一般难以用某一种方法彻底消除。在实际的XPS分析中，一般采用内标法进行校准。最常用的方法是用真空系统中最常见的有机污染碳的C1s的结合能为284.6 eV，进行校准。

6. 实验数据处理或谱图解析方法

1)定性分析的数据处理

XPS最常规的应用是表面元素的定性分析。对于未知组成的样品，一般用XPS谱仪进行宽程扫描，用计算机采集宽谱图后，得到以结合能为横坐标，光电子计数率（强度）为纵坐标的XPS谱图。首先标注每个峰的结合能位置，然后再根据结合能的数据（表23-2）寻找对应的元素。最后再通过对照标准谱图，一一对应其余的峰，确定所测样品中有哪些元素存在。

本实验中所给的CuS样品中可能含有C、O等杂质，请根据XPS谱图确定所含元素。并分析杂质的来源。

另外，分别采集Cu的3s、3p轨道及S的2s、2p轨道的光电子结合能谱峰，分析其强度，比较不同轨道光电子结合能谱峰的强弱。

要注意的是，原则上当一个元素存在时，其相应的强峰都应在谱图上出现。一般来说，不能根据一个峰的出现来确定元素的存在与否，需要根据不同轨道激发出的光电子的结合能谱峰进行综合判断。现在新型的XPS能谱仪，可以通过计算机进行智能识别，自动进行元素的鉴别。

2)定量分析的数据处理：

收完谱图后，通过定量分析程序，设置每个元素谱峰的面积计算区域和扣背底方式，由计算机自动计算出每个元素的相对原子百分比。也可依据计算出的面积和元素的灵敏度因子进行手动计算浓度，最后得表面元素的相对含量。并分析所测定的样品表面含量与体相含量的差别，分析是否有表面偏析现象，及偏析对其性能的影响。

要注意的是，一般合金或金属化合物都存在表面偏析现象。另外，碱性无机化合物表面常会有碳酸盐，这些都可通过XPS检出。

3)元素化学价态分析

X 射线光电子能谱法对于内壳层电子结合能能及化学位移的精确测量，能提供化学键和电荷分布方面的信息。在计算机系统上用光标定出各元素的结合能后，依据C1s结合能数据判断是否有荷电效应存在，如有先校准每个结合能数据。然后再依据这些结合能数据，鉴别这些元素的化学价态。由于CuS中Cu的价态很复杂，x 可在1-2之间非整数变化，可根据结合能谱峰位置及数量正确判断Cu的价态。许多化合物如CoS等都有类似情况。

4)薄膜样品表面分析

本实验分别采用Ar离子枪及C60枪对聚酯薄膜样品进行刻蚀分析，测定其表面层元素的结合能及组成，分析不同厚度薄膜样品表面的化学组成，比较两种枪在对高分子膜样品表面剖析上的异同。

表23-2 部分元素的电子结合能数据

7. 实验注意事项

为了保证实验数据的正确性，需注意以下几点：

（1）实验室保持高度清洁。

（2）严禁强磁性样品的分析。

（3）测试前需预先告知样品的性能，以免污染真空室。

（4）制备或处理样品时使用聚乙烯手套，禁止使用塑料手套和工具以免硅树脂污染样品表面。

（5）使用玻璃制品（如表面皿、称量瓶等）或者铝箔盛放样品，禁止直接使用塑料容器、塑料袋或纸袋,以免硅树脂或纤维污染样品表面。

8. 思考题

（1）在XPS的定性分析谱图上，经常会出现一些峰，在XPS的标准数据中难以找到它们的归属，应如何解释？

（2）对于一个不导电的样品，是否可以直接用结合能的数据进行化学价态的鉴别？应如何处理才能保证价态分析的正确性。

（3）比较XPS、AES、UPS在原理、分析应用上的异同点。

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[17]张开，高分子界面科学，中国石化出版社，1997年，第一版, p310-312。

(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）

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

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）；

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

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

X射线光电子能谱模板

第二十三章 X射线光电子能谱 1954年以瑞典Siegbahn教授为首的研究小组观测光峰现象，不久又发现了原子内层电子能级的化学位移效应，于是提出了ESCA(化学分析电子光谱学)这一概念。由于这种方法使用了铝、镁靶材发射的软X射线，故也称为X-光电子能谱(X-ray Photoelectron Spectroscopy)。X光电子能谱分析技术已成为表面分析中的常规分析技术，目前在催化化学、新材料研制、微电子、陶瓷材料等方面得到了广泛的应用。 23.1 基本原理 固体表面分析，特别是对固体材料的分析和元素化学价态分析，已发展为一种常用的仪器分析方法。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（导电材料）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二次离子质谱（TOF-SIMS）的发展，使得质谱在表面分析上的应用也逐渐增加。 X射线光电子能谱最初是由瑞典科学家K.Siegbahn等经过约20年的努力而建立起来的，因在化学领域的广泛应用，被称为化学分析用电子能谱（ESCA）。由于最初的光源采用了铝、镁等的特性软X射线，该技术又称为X射线光电子能谱（XPS）。1962年，英国科学家D.W.Turner等建造出以真空紫外光作为光源的光电子能谱仪，在分析分子内价电子的状态方面获得了巨大成功，同时又用于固体价带的研究，与X射线光电子能谱相对照，该方法称为紫外光电子能谱（UPS） XPS的原理是基于光的电离作用。当一束光子辐射到样品表面时，样品中某一元素的原子轨道上的电子吸收了光子的能量，使得该电子脱离原子的束缚，以一定的动能从原子内部发射出来，成为自由电子，而原子本身则变成处于激发态的离子，如图23-1所示。在光电离过程中，固体物质的结合能可用下面的方程式表示： E b=hγ- E k -φs（23-1） 式中: E k为射出的光子的动能；hγ为X射线源的能量；E b为特定原子轨道上电子的电离能或结合能（电子的结合能是指原子中某个轨道上的电子跃迁到表面Fermi能级（费米能级）所需要的能量）；φs为谱仪的功函数。 由于φs是由谱仪的材料和状态决定，对同一台谱仪来说是一个常数，与样品无关，其平均值为3 eV ~4eV。因此，（1）式可简化为： E b =hγ- E k’ （23-2） 由于E k’可以用能谱仪的能量分析器检出，根据式（23-2）就可以知道E b。在XPS分析中，由于X射线源的能量较高，不仅能激发出原子轨道中的价电子，还可以激发出内层轨道电子，所射出光子的能量仅与入射光子的能量及原子轨道有关。因此，对于特定的单色激发光源及特定的原子轨道，其光电子的能量是特征性的。当固定激发光源能量时，其光子的能量仅与元素的种类和所电离激发的原子轨道有关，对于同一种元素的原子，不同轨道上的电子的结合能不同。所以可用光电子的结合能来确定元素种类。图23-1表示固体材料表面受X射线激发后的光电离过程[1]。

X射线光电子能谱的原理及应用(XPS)

X射线光电子能谱的原理及应用（XPS） （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 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(103)又可表示为：hn=Ek+Eb+Φ （10.4）Eb= hn- Ek-Φ （10.5） 仪器材料的功函数Φ是一个定值，约为4eV，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 -8 g 即可，绝对灵敏度高达10 -18 g ，样品分析深度约2nm 。 (三) X 射线光电子能谱法的应用 ( 1 )元素定性分析 各种元素都有它的特征的电子结合能，因此在能谱图中就出现特征谱线，可以根据这些谱线在能谱图中的位置来鉴定周期表中除H 和He 以外的所有元素。通过对样品进行全扫描，在一次测定中就可以检出全部或大部分元素。 ( 2 )元素定量分折 X 射线光电子能谱定量分析的依据是光电子谱线的强度(光电子蜂的面积)反映了原于的含量或相对浓度。在实际分析中，采用与标准样品相比较的方法来对元素进行定量分析，其分析精度达1 ％～ 2 ％。 ( 3 )固体表面分析 固体表面是指最外层的1 ～10 个原子层，其厚度大概是(0.1~1) n nm 。人们早已认识到在固体表面存在有一个与团体内部的组成和性质不同的相。表面研究包括分析表面的元素组成和化学组成，原子价态，表面能态分布。测定表面原子的电子云分布和能级结构等。X 射线 光电子能谱是最常用的工具。在表面吸附、催化、金属的氧化和腐蚀、半导体、电极钝化、薄膜材料等方面都有应用。 ( 4 )化合物结构签定 X 射线光电子能谱法对于内壳层电子结合能化学位移的精确测量，能提供化学键和电荷

X射线光电子能谱分析分析

一、X射线光电子能谱的测量原理 X射线光电子能谱（X-ray photoelectron Spectroscopy，简称XPS）也就是化学分析用电子能谱（Electron Spectroscopy for Chemical Analysis，简称ESCA），它是目前最广泛应用的表面分析方法之一，主要用于成分和化学态的分析。 用单色的X射线照射样品，具有一定能量的入射光子同样品原子相互作用，光致电离产生了光电子，这些光电子从产生之处输运到表面，然后克服逸出功而发射，这就是X射线光电子发射的三步过程。用能量分析器分析光电子的动能，得到的就是x射线光电子能谱。 根据测得的光电子动能可以确定表面存在什么元素以及该元素原子所处的化学状态，这就是x射线光电子谱的定性分析。根据具有某种能量的光电子数量，便可知道某种元素在表面的含量，这就是x射线光电子谱的定量分析。为什么得到的是表面信息呢？这是因为：光电子发射过程的后两步，与俄歇电子从产生处输运到表面然后克服逸出功而发射出去的过程是完全一样的，只有深度极浅范围内产生的光电子，才能够能量无损地输运到表面，用来进行分析的光电子能量范围与俄歇电子能量范围大致相同。所以和俄歇谱一样，从X射线光电子谱得到的也是表面的信息，信息深度与俄歇谱相同。 如果用离子束溅射剥蚀表面，用X射线光电子谱进行分析，两者交替进行，还可得到元素及其化学状态的深度分布，这就是深度剖面分析。 X射线电子能谱仪、俄歇谱仪和二次离子谱仪是三种最重要的表面成分分析仪器。X射线光电子能谱仪的最大特色是可以获得丰富的化学信息，三者相比，它对样品的损伤是最轻微的，定量也是最好的。它的缺点是由于X射线不易聚焦，因而照射面积大，不适于微区分析。不过近年来这方面已取得一定进展，分析者已可用约100 μm直径的小面积进行分析。最近英国VG公司制成可成像的X射线光电子谱仪，称为“ESCASCOPE”，除了可以得到ES-CA谱外，还可得到ESCA像，其空间分辨率可达到10μm，被认为是表面分析技术的一项重要突破。X射线光电子能谱仪的检测极限与俄歇谱仪相近，这一性能不如二次离子谱仪。 X射线光电子能谱的测量原理很简单，它是建立在Einstein光电发射定律基础之上的，对孤立原子，光电子动能E k为： E K =hv-E b. (12. 18) 这里hv是入射光子的能量，E b是电子的结合能。hv是已知的，E K可以用能量分析器测出，于是E b就知道了。同一种元素的原子，不同能级上的电子E b不同，所以在相同的hv 下，同一元素会有不同能量的光电子，在能谱图上，就表现为不止一个谱峰。其中最强而又最易识别的，就是主峰，一般用主峰来进行分析。不同元素的主峰，E b和E K不同，所以用能量分析器分析光电子动能，便能进行表面成分分析。 对于从固体样品发射的光电子，如果光电子出自内层，不涉及价带，由于逸出表面要克服逸出功φ，所以光电子动能为： E K=hv-Eb-φs (12. 19)