XPS技术及其在材料微方面中的应用讲解

XPS分析技术及其在材料微分析方面中的应用摘要：本文介绍了X 射线光电子能谱（XPS）分析技术的基本原理、技术特点、研究进展、分析仪器构成以及在材料微分析方面的实际应用。

关键词：XPS分析技术；微分析；应用1、引言：近年来，利用各种物理、化学或机械的工艺过程改变基材表面状态、化学成分、组织结构或形成特殊的表面覆层，优化材料表面，以获得原基材表面所不具备的某些性能，如高装饰性、耐腐蚀、抗高温氧化、减摩、耐磨、抗疲劳性及光、电、磁等，达到特定使用条件对产品表面性能的要求的各种表面特殊功能处理技术得到迅速发展；对表面分析技术发展提出更高要求[1]。

材料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[2]。

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[3]。

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。

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。

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[6]；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- 1 -的束斑直径已能达到6μm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[4]。

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。

本文介绍了X 射线光电子能谱（XPS）的基本分析原理、技术特点、研究进展、分析仪器构成以及在材料研究中应用情况，旨在增强对XPS 表面分析技术系统了解。

2、XPS 的分析原理、技术特点及研究进展：2.1 XPS 的基本原理[1]X射线光电子能谱XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy)也被称作化学分析用电子能谱ESCA(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis)，其基本原理在单色（或准单色）X 射线照射下，测量材料表面所发射的光电子能谱来获取表面化学成分、化学态、分子结构等方面的信息；XPS 理论首先是由瑞典皇家科学院院士、乌普萨拉大学物理研究所所长K.Siegbahn 教授创立的，并于1954 年研制成世界上第一台双聚焦磁场式光电子能谱仪，精确测定了元素周期表中各种原子的内层电子结合能。

2.1.1 光电效应在光的照射下，电子从金属表面逸出的现象，称为光电效应。

如下图所示：根据Einstein的能量关系式有：hν = E B + E K其中：ν—光子的频率；h—普朗克常量；E B—内层电子的轨道结合能或电离能；E K—被入射光子所激发出的光电子的动能。

实际的X射线光电子能谱仪中的能量关系为：hν= E B + E K + Φs + A其中：Φs—谱仪的功函数，光电子逸出表面所需能量；A—样品的功函数，光电子输运过程中因非弹性散射而损失的能量。

可见，当入射X射线能量一定，测出功函数和电子的动能，即可求出电子的结合能。

由于只有表面处的光电子才能从固体中逸出，因而测得的电子结合能必然反应了表面化学成份的情况。

样品经X射线辐照后，从表面出射的光电子的强度是与样品中该原子的浓度有线性关系，可以利用它进行元素的半定量分析。

鉴于光电子的强度不仅与原子的浓度有关，还与光电子的平均自由程、样品的表面光洁度，元素所处的化学状态，X射线源强度以及仪器的状态有关。

因此，XPS技术一般不能给出所分析元素的绝对含量，仅能提供各元素的相对含量。

由于元素的灵敏度因子不仅与元素种类有关，还与元素在物质中的存在状态，仪器的状态有一定的关系，因此不经校准测得的相对含量也会存在很大的误差。

2.1.2 逃逸深度（λm）与俄歇电子相同，只有那些来自表面附近在逃逸深度以内的光电子才没有经过散射而损失能量，才对确定E B的谱峰有所贡献。

对于XPS 有用的光电子能量为：100~1200eV；λm =0.5~2.0 nm（金属）；λm=4~10nm（高聚物）。

而逃逸深度与逸出角有关：λ = λmθcos；其中θ为探测角，出射方向与面法线夹角。

当θ= 0垂直表面射出的电子来自最大逸出深度；当θ≈ 90o，近似平行于表面射出的电子纯粹来自最外表面几个原子层。

因而改变探测角θ可调整表面灵敏度。

XPS是一种表面灵敏的分析方法，具有很高的表面检测灵敏度，可以达到10-3原子单层，但对于体相检测灵敏度仅为0.1%左右。

XPS是一种表面灵敏的分析技术，其表面采样深度为2.0～5.0 nm，它提供的仅是表面上的元素含量，与体相成分会有很大的差别。

而它的采样深度与材料性质、光电子的能量有关，也同样品表面和分析器的角度有关。

2.1.3 化学位移由于原子所处的化学环境不同而引起的内层电子结合能的变化，在谱图上表现为谱峰的位移，这一现象称为化学位移。

虽然出射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的屏蔽效应，芯能级轨道上的电子的结合能在不同的化学环境中是不一样的，有一些微小的差异。

这种结合能上的微小差异就是元素的化学位移，它取决于元素在样品中所处的化学环境。

一般，元素获得额外电子时，化学价态为负，该元素的结合能降低。

反之，当该元素失去电子时，化学价为正，XPS的结合能增加。

利用这种化学位移可以分析元素在该物种中的化学价态和存在形式。

元素的化学价态分析是XPS分析的最重要的应用之一。

2.2 XPS分析技术特点[2]与其他表面分析技术相比，具有以下几个特点：非破坏性；可以研究有机物等表面；真空要求相对较低；能进行元素化合态和电子能带结构分析。

在XPS 分析中，由于采用的X 射线激发源的能量较高，不仅可以激发出原子价轨道中的价电子，还可以激发出芯能级上的内层轨道电子，其出射光电子的能量仅与入射光子的能量及原子轨道结合能有关。

因此，对于特定的单色激发源和特定的原子轨道，其光电子的能量是特征的。

当固定激发源能量时，其光电子的能量仅与元素的种类和所电离激发的原子轨道有关。

因此，我们可以根据光电子的结合能定性分析物质的元素种类。

2.3 XPS分析技术研究进展20世纪40年代瑞典Uppsala大学在β-射线谱取得重大进展，K.Siegbahn 建造了一台能测量电子动能的XPS仪器，其鉴别能力达10-15。

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，发展成为表面元素定性、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[3]。

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 mm 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。

3、XPS仪器结构和工作原理[7]XPS仪器主要由超高真空系统、进样系统、激发源、电子能量分析器和探测电子的监测器等几个部分组成。

3.1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以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3×10-8Pa，一般采用三级真空泵系统。

前级泵一般采用旋转机械泵或分子筛吸附泵，极限真空度能达到10-2Pa；采用油扩散泵或分子泵，可获得高真空，极限真空度能达到10-8Pa；而采用溅射离子泵和钛升华泵，可获得超高真空，极限真空度能达到10-9Pa。

这几种真空泵的性能各有优缺点，可以根据各自的需要进行组合。

现在的新型X射线光电子能谱仪，普遍采用机械泵-分子泵-溅射离子泵-钛升华泵系列，这样可以防止扩散泵油污染清洁的超高真空分析室。

3.2 快速进样室X射线光电子能谱仪多配备有快速进样室，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5～10分钟内能达到10-3Pa的高真空。

有一些谱仪，把快速进样室设计成样品预处理室，可以对样品进行加热，蒸镀和刻蚀等操作。

3.3 X射线激发源在普通的XPS谱仪中，一般采用双阳极靶激发源。

常用的激发源有Mg Kα X 射线、光子能量为1253.6eV 和Al Kα X射线、光子能量为1486.6eV。

没经单色化的X射线的线宽可达到0.8eV，而经单色化处理以后，线宽可降低到0.2 eV，并可以消除X射线中的杂线和韧致辐射。