儀器型號：Thermo Fisher Scientific K-Alpha【博仕檢測XPS測試設備】

儀器型號：Thermo Fisher Scientific K-Alpha;

輻射源：Al K alph源，

測試能量：1486.8ev，

測試光斑面積：30-500um，

測試管電壓：15kv，管電流：10mA，

分析室本底真空：2*10-9mbar
深度剖析 ：EX06 離子源
樣品最大面積 ：60x60 mm
樣品最大厚度 ：20 mm

測試原理：

XPS, 全稱為X-ray Photoelectron Spectroscopy(X射線光電子能譜)，是一種使用電子譜儀測量X-射線光子輻照時樣品表面所發射出的光電子和俄歇電子能量分布的方法。通過收集在入射X光作用下，從材料表面激發的電子能量、角度、強度等信息對材料表面進行定性、定量和結構鑒定的表面分析方法。一般以Al、Mg作為X射線的激發源，俗稱靶材。

XPS的原理是用X射線去輻射樣品，使原子或分子的內層電子或價電子受激發射出來。被光子激發出來的電子稱為光電子?？梢詼y量光電子的能量，以光電子的動能/束縛能(binding energy，Eb=hv光能量-Ek動能-w功函數)為橫坐標，相對強度(脈沖/s)為縱坐標可做出光電子能譜圖。從而獲得試樣有關信息。X射線光電子能譜因對化學分析最有用，因此被稱為化學分析用電子能譜(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis)。

當單色的X射線照射樣品,具有一定能量的入射光子同樣品原子相互作用：

（1）光致電離產生光電子；（2）電子從產生之處遷移到表面；（3）電子克服逸出功而發射。用能量分析器分析光電子的動能,得到的就是X射線光電子能譜。

公式：

E(b)= hv-E(k)-W

E(b): 結合能（binding energy）

hv: 光子能量 （photo energy）

E(k): 電子的動能 （kinetic energy of the electron）

W: 儀器的功函數（spectrometer work function）

通過測量接收到的電子動能，就可以計算出元素的結合能。

鋁靶：hv=1486.6 eV

鎂靶：hv=1253.6 eV

XPS譜線中伴峰的來源：

振離(Shake-off): 多重電離過程（能量差為帶有一個內層空穴離子基態的電離電位） A+hν=(A2+)*+2e- 正常：Ek(2P)=hν-Eb(2P) 振離：Ek’(2P)=hν-[Eb(2P)+Eb(3d)]

振激(Shake-up) :在X-ray作用下內層電子發生電離而使外層電子躍遷到激發的束縛態導至發射光電子的動能減少。（能量差為帶有一個內層空穴離子基態的電離電位）

能量損失(Energy loss): 由于光電子在穿過樣品表面時同原子（或分子）發生非彈性碰撞而引起的能量損失。

X射線伴線(X-ray statellites): X-ray不是單一的Ka，還有Ka1,2,3,4,5,6以及Kβ。(主要有Ka3,4構成)多重分裂(Multiplet splitting):一般發生在基態有未成對電子的原子中。

俄歇電子(Auger electron): 當原子內層電子光致電離而射出后，內層留下空穴，原子處于激發態，這種激發態離子要向低能態轉化而發生弛豫，其方式可以通過輻射躍遷釋放能量，波長在X射線區稱為X射線熒光；或者通過非輻射躍遷使另一電子激發成自由電子，這種電子就稱為俄歇電子。對其進行分析能得到樣品原子種類方面的信息。

深度剖面

分析用離子束濺射剝蝕表面,用X射線光電子譜進行分析,兩者交替進行, 可以得到元素及其化學狀態的深度分布。

一般XPS分析中光電子激發和光電子采集示意圖

XPS樣品要求：

? XPS分析固體樣品表面
? 樣品表面平整、干凈
? 樣品放氣氣壓低
? 不受污染、不分解退變
? 便于安裝固定在儀器中
便于安裝固定在儀器中
? 控制樣品荷電

……

如何避免xps測試時，樣品表面污染：
? 樣品表面污染不可避免，樣品在真空中污染慢、程度??；
? 為減少污染，樣品制備后應盡早送入樣品真空室測試
? 清潔樣品表面方法
– 干氮氣吹；
– 有機溶劑（酒精）、水等直接物理清洗，用干氮氣吹干；
– 離子（Ar+）刻蝕清潔；
– 機械清潔，刮削、打磨、斷裂等；
– 預抽、加熱脫附等；
預抽、加熱脫附等；
– 化學清潔；
– ……

XPS譜圖中伴峰的鑒別：

在XPS中化學位移比較小，一般只有幾ev，要想對化學狀態作出鑒定，首先要區分光電子峰和伴峰）

光電子峰：在XPS中最強（主峰）一般比較對稱且半寬度最窄。

俄歇電子峰：Auger有兩個特征： 1.Auger與X-ray源無關，改變X-ray，Auger不變。 2.Auger是以譜線群的形式出現的。

振激和振離峰：振離峰以平滑連續 譜的形式出現在光電子主峰低動能的 一邊，連續譜的高動能端有一陡限。 振激峰也是出現在其低能端，比主峰 高幾ev，并且一條光電子峰可能有幾條振激伴線。

能量損失峰：其特點是隨X-ray的波動而波動。

多重分裂峰：多重分裂峰的相對強度等于終態的統計權重。如：Mn2+離子具有5個未成對電子，從Mn2+內層發射一個s電子，其J值為（5/2+1/2）和 （5/2-1/2），其強度正比于（2J+1），即其分裂峰的相對強度為7 :5；

X-ray伴線產生的伴峰：X-ray的伴線能量比主線（Ka1,2）高，因此樣品XPS中光電子伴峰總是位于主峰的低結合能一端（如下圖所示），這也是X-ray伴線產生的伴峰不同于其 它伴峰的主要標志。

XPS常見應用測試案例：

1. 表面元素定性分析

2. 表面元素價態分析

3. 元素沿深度方向分布分析

4. XPS元素刻蝕分析

文章由博仕檢測黎工整理，轉載請說明出處。

2023.09.05 星期二

審核編輯 黃宇