11XPS简介-修改20130401

X射线光电子能谱仪简介
主要内容XPS基本原理XPS仪器构造XPS冶金学科的应用
XPS基本原理XPS是什么X-ray Photoelectron Spectroscopy（X射线光电子能谱，简称XPS）是利用波长在X 射线范围的高能光子照射被测样品，测量由此引起的光电子能量分布的一种谱学方法。

样
品在X射线作用下，各种轨道电子都有可能从原子中激发成为光电子，由于各种原子、分子的轨道电子的结合能是一定的，因此可用来测定表面化学元素组成、含量及形态。

样品表面受辐射损伤小，能检测周期表中除H、He以外的所有元素。

XPS基本原理一定能量(hυ)的X光照射到样品表面，和待测光电物质发生作用，可以使待测物质原子
中的电子效应脱离原子成为自由电子(光电子)。

Kinetic Energy 动能光电子
E K E X-ray fermi level hυBinding Energy2p 结合能 E B 2s 1s 能量守恒hυ =E+E+* −hυ> E A + h υ⎯→ A+ e B K B XPS基本原理这些光电子进入能量分析器，利用能量分析器的色散作用，可获得按能量大小分布的X射线光电子谱，如图所示。

右图为金属铝的XPS谱图（激发源为单色AlK）α（a）扫描全谱；（b）为（a）高能端的扩展。

XPS基本原理样品处理简单，无损伤XPS特色广泛适应性能获取丰富的化学信息定量分析较好原子浓度>1%的所有元素（除 H, He 外）的鉴别在最外层表面10nm 表面元素组成的半定量测定（误差<±10%）内，XPS 可提供亚单层灵敏度；探测深度1～20原子单层(<10 nm) 优异的化学信息(化学位移和各种终态效应，以及完善的标准化合物数据库)；关于分子环境的信息（氧化态、成键状态等）使用价带谱，分析能带中的电子态密度样品10nm 内的
非破坏性元素深度剖析
XPS仪器构造型号：Kratos AXIS Ultra DLD
XPS仪器构造计算机控制激发源主要构成XPS 接收与输出能量分析器进样系统真空系统电(离)子检测器XPS仪器构造单色化X 射线光源：Al Kα 1486.6eV Mg Kα 1253.6eV UHV 激发源(超高真空系统) 计算机控制能量分析器检测器进样系统接收与输出真空系统-8-1010~10 Torr -7-910~10 Torr XPS工作示意图
应用领域冶金学科应用一定金属材料的许多性质，如腐蚀、氧化、应力、疲劳、磨损、脆性、粘着、形变、摩擦等，不仅与金属的表面形貌有关，也与表面组成，以及吸附、分凝、扩散等表面现象有关。

应用实例一实例一：利用XPS检测双相钢连续退火表面氧化物化学成分。

（李远鹏，江社明等. 双相钢中铝含量对表面氧化物及抑制层形貌的影响. 钢铁研究学报， v24（5），2012）对3种不同铝含量的双相钢试
样经过连续退火热镀锌实验后，利用XPS分析表面的氧化物组成。

结果如下：
应用实例一度强Mn2p结合能/ev 图钢中铝元素含量不同的双相钢表面氧化物的XPS图谱从图中看出，3种双相钢表面Mn2P3/2峰的位置都位于641.6eV，表明了锰的氧化物存在形式为MnO。

应用实例一度强Cr2p 结合能/ev 图钢中铝元素含量不同的双相钢表
面氧化物的XPS图谱从图中看出，3种双相
钢表面Cr2P3/2峰的位置都位于576.8eV，表明
了铬的氧化物存在形式为CrO。

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应用实例一度强Mo3d结合能/ev 图钢中铝元素含量不同的双相钢表面氧化物的XPS 图谱从图中看出，随着铝含量的增加，Mo3d峰的位置向高结合能方向有轻微偏移，分别为226.2、226.5、226.6eV，证实了钼在表面的状态为金属态。

图中的Mo3d的XPS窄谱背景噪声大，Mo3d特征峰的强度极为微弱，表明了退火后双相钢表面钼的相对含量极低。

应用实例一度强Al2p结合能/ev 图钢中铝元素含量不同的双相钢表面氧化物的XPS图谱从图中看出，只有wAl=0.12%和wAl=0.4%的双相钢的Al2p结合能谱图，缺少wAl=0.09%的双
相钢的Al2p谱图。

这是因为铝含量低于XPS仪器探
测能力的下限，检测不到铝的信号。

3种双相钢表
面Al2P峰的位置都位于74.7eV，表明了铝的氧化物
存在形式为AlO。

含铝0.4%的双相钢Al2p峰的强度
比含铝0.12%的双相钢的Al2p峰23 大得多，说明随
着钢中铝含量的增加，表面生成的AlO数量也大大
增加。

23
应用实例一结合扫描电镜的结果分析：wAl=0.09%的双相钢表面的氧化物形貌为颗粒状和长条状的氧化物；XPS分析表明，这两种氧化物为MnO和CrO。

23 含铝wAl=0.12%的双相钢表面均匀分布扁平状的氧化物，氧化物平均直径为126.2nm。

含铝wAl=0.4%的双相钢表面为细小弥散分布的氧化物，平均直径为70.7nm。

除了MnO和CrO，这两种双相23 钢表面还生成了AlO。

23
应用实例二实例二：利用XPS检测低铬X65管线钢
CO腐蚀产物膜化学成分2。

（孙建波，柳伟等.低铬X65管线钢CO腐蚀产物膜的特征及形成机2制. 金属学报，v45（1），2009）经高温高压CO腐蚀模拟实验后，利用XPS分析3 种含Cr 钢腐2蚀产物膜，结果如下：
应用实例二
应用实例二XPS结果：Cr2p3/2在576.2，577.3和585.4eV 附近有明显的结合能峰，分别对应CrO ，Cr(OH)和233CrO。

这表明Cr在低铬X65钢次外层膜中主23要以，Cr(OH)和CrO的化合态存在。

323XPS结果分析：当钢中含有Cr 元素时，除了生成FeCO的腐3蚀反应
外，还会存在如式（1）所示的阳极反应，生成腐蚀
产物Cr(OH)；次外层膜中3CrO的形成可能与Cr(OH)
脱离腐蚀环境后233的脱水有关（式2）。

应用实例三实例三：利用XPS检测高碳钢亚表层碳含量变化，分析高碳钢被空蚀后珠光体的两相分离行为。

（刘诗汉，陈大融. 双相钢空蚀破坏的力学机制. 金属学报， v45（5），2009）对高碳钢进行振动空蚀实验，用XPS对高碳钢表面元素的结合能峰强等的变化进行检测，分析空蚀破坏行为。

高碳钢的化学成分如表1。

表1高碳钢的化学成分w% C Si Mn P S 珠光体渗碳体 1.08
≤0.30 ≤0.32 ≤0.030 ≤0.030 89% 11% 应用实例三随着空蚀实验的进行，珠光体中的两相出现分离(图13b)，从SEM图上看，表层渗碳体(SEM图像中呈黑色细条状)消失，形成铁素体片中的缝隙。

图13 高碳钢在42min表面形貌特征的高倍SE M 图像
应用实例三出现这种情况有两种可能，一是渗碳体脱落，一是铁素体突出。

如果是渗碳体脱落，在一定深度内其含量都会减少。

如果是铁素体突出而没有大量材料脱落，则
在亚表层的某个深度必然表现为渗碳体含量的增加。

究竟是那种情况仅通过表面的SEM图像做不出明确的判断。

为此，用XPS通过溅射对材料亚表面进行检测，并比较实验前后渗碳体含量的变化。

应用实例三
应用实例三图14a是初始表面C1s的XPS谱,谱图中及Fe-C峰位及C-C峰位分别位于283.10和284.79eV处，有一定距离,双峰特征明显。

经过142min，溅射掉浅表层的43nm再测，得到只有1
个峰的谱图(图14b)，且峰位向Fe-C结合能方向偏移。

通过曲线拟合发现，Fe-C峰位于283.76eV，其强度相对于初始表面的峰因此可以确定，不是表面渗强提高了约26%，而C-C峰位于碳体脱落了，而是铁素体向外突284.19eV，强度降低了约50%，表明铁出。

这一结论也与材料空蚀过程素体的含量下降而渗碳体的含量上升。

中失重很小的结果相吻合。

应用实例四实例四：利用XPS检测碳钢表面纳米晶层磨损，表面组成的改变。

（刘莉
莉，麦永津等. 45#钢表面纳米晶层的高温磨损特性. 摩擦学学报，v30（3），2010）图未喷丸45#钢样品表面Fe2p的XPS图谱从图中看出，未喷丸45#钢样品磨面存在着Fe、FeO和FeO的混合物。

23 应用实例四图喷丸45#钢样品300 ℃磨擦磨损试验后磨损表面Fe2p的XPS图谱从图中看出，喷丸45#钢样品，则只探测到FeO的峰，说明磨面只有FeO 。

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应用实例四XPS检测结果分析：由于表面喷丸纳米化处理在45#钢表层组织结构中造成了大量的晶界、位错、空位等缺陷，为氧原子的向内扩散及/或金属原子向外扩散提供了更多的通道，有利于铁的富氧的氧化物的生成，疏松和脆性的FeO对试样的摩擦磨损性能产生重要的影响。

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谢谢！。