射线光电子能谱分析

X射线光电子能谱分析一、固体表面的分析固体不同于气体、液体，不具有流动性，在一定应力的作用下也不会发生明显的形状改变。

固体的表面也与液体表面不同，不存在理想的平滑表面。

固体表面厚度定义为5倍于原子或分子的直径：对于原子结构的固体物质，铁、硅，表面约为1 nm；对于分子结构的固体物质，如聚合物，其表面是5倍单体的厚度，约为5～10 nm；实际测样中，有时指1个或几个原子层，有时指厚度达微米级的表层。

大多数固体表面，在组分上或结构上都是和体内不一样的。

（1）组分不同。

对很多合金，某些元素会在表面富集，称为表面偏析或分凝，掺杂生长的晶体也有这种现象。

Cu－Ni合金中，在表面20个原子层中Cu的含量是体内的5倍。

表面还可以吸附外界的原子，而这些外来原子与体内不同，不仅能在表面形成吸附层，还可以在表面生成化合物。

（2）表面的排列与体内不同。

晶体中的原子处于有规律的周期性排列状态，而在表面这种周期突然中断，表面出现重构和驰豫现象。

重构指的是表面最外层原子的排列与体内不同。

而驰豫指的是表面原子所处的力场与体内原子不同，因此表面原子会发生相对于正常位置的上移或下移，以此来降低体系能量的现象。

晶体表面原子周期性的突然中断还会使表面出现各种缺陷，例如台阶、弯折、重位、凸沿等等，而这些缺陷往往是吸附活性点，对催化等非常重要。

（3）表面的电子结构与体内原子结构不同。

每个原子/离子在体内的都是有规律地排布，从空间上讲是电子处于一种平衡状态，而表面原子从空间分布上至少是缺一个方向的平衡（面、棱、角），电子云的分布也不相同。

因此，表面的原子比体内原子活性更大。

由于表面和体内具有上述不同之点，使得表面许多物理、化学性质，如光学、电学、磁学、热学、机械、化学活动性等性质与体内不同。

对于表面的这些性质的研究能揭露一些表面现象的本质。

例如催化与表面吸附层和表面原子结构的关系等。

其他还有表面钝化、活化、腐蚀、脆性、发光等现象，因此对“表面”的研究，不仅是一种基础理论工作，而且其潜在的实际应用价值也很大。

由于被分析的深度和侧向范围是如此浅薄和细微，被检测信号来自极小的采样体积，信息强度十分微弱，重复性差，对分析系统的灵敏度要求也很高。

所以，直到六十年代前后，随着超高真空和电子技术的突破，才使表面分析技术迅速发展起来。

用一束“粒子” 作为探针来探测样品表面，探针可以是电子、离子、光子、中性粒子、电场、磁场、热或声波，在探针作用下，从样品表面发射或散射粒子或波，它们可以是电子、离子、光子、中性粒子、电场、磁场、热或声波。

检测这些发射粒子的能量、动量、荷质比、束流强度等特征，或波的频率、方向、强度、偏振等情况，就可获得有关表面的信息。

本文主要介绍X射线光子作为探针的X射线光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectroscopy，XPS）分析方法。

二、X射线光电子能谱2.1 几个基本物理概念2.1.1 光电效应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。

即：A + hν A+* + e-。

只有当光子能量（hν）大于临阈光子能量（hν0）时，即光解离作用发生所需要的最小能量时，光电离作用才发生。

其中hν0=E b + E k + Er，E b是原子能级中电子的电离能或结合能。

E k是出射光电子的动能。

Er是发射光电子的反冲动能。

2.1.2 光电离截面（σ）简单来说就是光电离作用的几率，或者说是某能级的电子对入射光子有效转移面积，也可以认为是一定能量的光子与原子作用时，从某个能级激发出一个电子的几率。

值得注意的是，临阈光子能量hν0处，σ越大。

对于不同元素，同一壳层的σ随原子序数增大而增大；而同一原子的σ值反比于轨道半径的平方，所以对于轻原子，1s比2s电子的激发概率要大20倍。

2.1.3电子平均自由程（λ）电子平均自由程（λ）：指光电子在固体样品表面不发生非弹性碰撞时逸出的深度。

电子能谱法所能研究的信息深度d取决于逸出电子的平均自由程λ。

一般来说，电子能谱研究的信息深度d=3λ，在30 nm以内。

2.2 X射线光电子能谱发展历史1877年，赫兹（heinrich Rudolf Hertz）发现光电效应。

1907年，用半球磁场和感光板记录到不同速度电子。

1954年，瑞典乌普沙拉（Uppsala）大学的凯.西格班（Kai M. Siegbahn）领导的研究组得到第一张XPS谱图。

1969年，凯.西格班和HP合作生产出第一台XPS仪器。

发现了内层电子结合能的位移现象，解决了电子能量分析的技术问题，测定了元素周期表中各元素的轨道结合能，从而测定固体表面的电子结构和表面组分的化学成分1981年，凯.西格班因对XPS的贡献获诺贝尔物理学奖。

2.3 X射线光电子能谱分析基本原理X射线光子的能量在1000～1500 eV之间，不仅可使分子的价电子电离而且也可以把内层电子激发出来，内层电子的能级受分子环境的影响很小。

同一原子的内层电子结合能在不同分子中相差很小，故它是特征的。

对于固体样品，电子结合能是指原子中某个电子吸收了光子的全部能量后，克服原子核的束缚到达样品的费米能级，这一过程消耗的能量，即电子能级与费米能级之差。

所以X射线能量用于：内层电子跃迁到费米能级，即克服该电子的结合能E b和电子由费米能级进入真空成为静止电子，即克服功函数?sa以及自由电子的动能E k。

实际上，当样品置于仪器中的样品架上时，样品与仪器的费米能级是一致的，所以样品中电子只要克服仪器的费米能级到真空能级的功（仪器的功函数?sp）即可变为真空中的静止电子。

hν为实验时选用的X射线能量为已知；?sp是仪器的功函数，是一定值，一般为4eV；通过精确测量光电子的动能E k′，即能计算出E b。

如图2-1所示。

由于不同原子的轨道电子结合能是一定的，据此就可以进行定性分析。

图2-1 X射线光电子能谱分析原理示意图2.4 X射线光电子能谱图分析2.4.1 X射线光电子能谱图以检测器单位时间内接收的光电子数（光电子强度）对电子结合能或光电子动能作图。

如图2-2所示，横轴为电子结合能，纵轴为光电子强度。

X射线光电子是以以元素被激发电子所在能级命名，如O1s1/2，C2p1/2，Al2s1/2。

对于S壳层的电子来说，不发生自旋分裂，在谱图上呈现单峰。

而对于p，d，f壳层的电子而言，则会由于其分裂为两个能级，在谱图上表现为双峰且两峰的面积比一般为2p1/2:2p3/2 = 1:2；3d3/2:3d5/2 = 2:3；4f5/2:4f7/2= 3:4。

如图2-3所示。

图2-2 典型的X射线光电子能谱图图2-3 X射线光电子特征峰示例X射线光电子能谱图一般有全扫描和窄扫描两部分谱图组成，一般定性分析首先进行全扫描（整个X射线光电子能量范围扫描）以鉴定存在的元素；再对选择的谱峰进行窄扫描，以鉴定化学状态。

如图2-4所示。

图2-4 Si-Ti基底上的Pt纳米线阵列的XPS图（a）全谱（b）Pt 4f的精细谱2.4.2 谱图分析XPS主要研究原子的内层电子结合能。

内层电子不参与化学反应，保留了原子轨道的特性，因此其电子结合能具有特征性，不同元素原子可以产生完全分离的电子谱线，所以相邻元素的识别也不会发生混淆。

这样就可以对样品表面元素进行定性分析。

同时，XPS也可以对表面元素的化学价态进行分析。

其依据的是化合物结构的变化和元素氧化状态的变化引起谱峰有规律的位移。

具体来说就是：内层电子一方面受到原子核强烈的库仑作用而具有一定的结合能，另一方面又受到外层电子的屏蔽作用。

当外层电子密度减少时，屏蔽作用将减弱，内层电子的结合能增加；反之则结合能将减少。

因此当被测原子的氧化价态增加，或与电负性大的原子结合时，都导致其XPS峰将向结合能的增加方向位移。

如图2-5所示。

图2-5 Be，BeO，BeF2中1s电子光电子谱线的化学位移X射线光电子能谱谱线强度反映原子的含量或相对浓度。

测定谱线强度便可进行定量分析。

X射线光电子能谱可分析除氢、氦以外的所有元素，测量深度为几埃到几十埃，对多组分样品，元素的检测限为0.1％（原子分数）。

2.4.3 XPS谱中的伴峰在XPS谱中，由于激发源的能量很高，可以激发出各种物理过程的电子。

此外，在激发态的退激发过程中，又可以发生各种复杂的退激发过程，释放出能量不同的各种电子。

因此，在普通的XPS谱中，还存在很多伴峰。

而伴峰中也会包含一些对分析重要的信息。

一个处于基态的闭壳层(闭壳层指不存在未成对电子的电子壳层)原子光电离后，生成的离子中必有一个未成对电子。

若此未成对电子角量子数I＞0，则必然会产生自旋-轨道偶合(相互作用)，使未考虑此作用时的能级发生能级分裂(对应于内量子数j的取值j＝I+1/2和j＝I-1/2形成双层能级)，从而导致光电子谱峰分裂；此称为自旋-轨道分裂。

因此除s轨道能级外，p，d轨道均出现双峰结构。

当X射线照射时，除了打出一个内层电子外，还有另一电子被激发到更高能级的束缚态。

这个激发是需要能量的，于是造成光电子动能的降低，在原光电子谱峰的低动能侧就会出现伴峰，称为携上峰。

易出现携上峰的情况：具有未充满的d,f轨道的过渡金属化合物和稀土化合物具有不饱和侧链,或不饱和骨架的高聚物某些具有共轭电子体系的化合物。

例如：在石墨中，由于C原子以sp2杂化存在，并在平面方向形成共轭π键。

这些共轭π键的存在可以在C1s峰的高能端产生携上伴峰。

这个峰是石墨的共轭π键的指纹特征峰，可以用来鉴别石墨碳。

碳纳米管材料的携上峰基本和石墨的一致，这说明碳纳米管材料具有与石墨相近的电子结构。

在碳纳米管中，碳原子主要以sp2杂化并形成圆柱形层状结构。

C60材料的携上峰的结构与石墨和碳纳米管材料的有很大的区别，可分解为5个峰，这些峰是由C60的分子结构决定的。

在C60分子中，不仅存在共轭π键，并还存在?键。

因此，在携上峰中还包含了?键的信息。

当X射线照射时，除了打出一个内层电子外，还有另一电子被激发到连续的非束缚态（电离），这就使光电子动能降低，但降低值是可连续的变化，引起主峰低能级出现连续平滑谱，类似一个台阶，就好象本底提高，这种现象称为携下峰。

有些性质不同的化合物，在主峰的化学位移上未出现不同，而携下峰却有明显的区别。

在多种退激发途径中，最常见的退激发过程就是产生俄歇电子跃迁的过程，因此X射线激发俄歇谱是光电子谱的必然伴峰。

X射线激发的俄歇电子峰多以谱线群的形式出现。

俄歇电子的动能与激发源的能量无关。

俄歇电子峰的能量也能反映化学位移效应。

例如：C1s在石墨和碳纳米管材料中，其结合能均为284.6 eV；而在C60材料中，其结合能为284.75 eV。