表面光电子能谱_XPS_及其在木材科学与技术领域的应用
X射线光电子能谱XPS
X射线光电子能谱复旦大学材料系吕平在对许多材料的研究和应用中，了解其表面性能是很重要的。
而要获得材料的表面性能，就需要一些特殊的仪器，对各种材料从成分和结构上进行表面表征。
其中，X射线光电子能谱（XPS）由于其对材料表面化学性能的高度识别能力，成为材料分析的一种重要技术手段。
X射线光电子能谱是由Siegbahn等人在20 世纪50年代提出并实现用于物质表面元素定性定量分析的方法。
Siegbahn由于对光电子能谱的谱仪技术和谱学理论的杰出贡献而获得了1981年诺贝尔奖。
这是一种以光与物质相互作用的原理为基础的方法。
1.光与物质的相互作用一、光电效应物质受光作用放出电子的现象称为光电效应，也称为光电离或光致发射。
如图1所示，这个过程表示为：hν+A→A∗++e−A: 中性原子；hν：光子能量；A*+：出于激发态的离子；e-：光电子。
光电子的能量 E k=hν−E BE B是以真空能级为参考的电子结合能。
虽然光电离也是一个电子跃迁过程，但它有别于一般电子的吸收和发射过程，它不遵守一定的选择定则，任何能级的电子都可以被电离。
原子各能级发射出冠电子的概率由电离截面σ决定。
σ越大，说明该能级上的电子月容易被激发，与原子其他能级上的电子相比，它的光电子峰的强度就交大。
σ与原子序数Z，主量子数n，角量子数l，入射光频率ν决定。
二、受激原子的弛豫由电离过程产生的终态离子A*+处于高激发态，会自发发生弛豫而变为稳定状态。
这一过程分为辐射弛豫和非辐射弛豫两种，前者发射X荧光，后者发射俄歇电子。
其过程如图2所示。
hν图1图 2X射线荧光的能量是特征性的，与元素一一对应。
俄歇电子的能量也是特征性的，与入射能量无关。
荧光几率与俄歇几率如图3所示，即低Z元素容易发生俄歇效应。
图 3三、光电子逸出深度虽然X光的穿透深度可达1mm，只有从表面逸出的光电子，才对确定Eb的谱峰有所贡献。
对于XPS 有用的光电子能量100~1200eVλm=0.5~2.0nm（金属）=4~10nm（高聚物）信息深度d与逸出深度的关系，d=λsinα，如图4 所示。
X射线光电子能谱分析方法及原理(XPS)
半导体工业
晶体缺陷分析、界面性质研究 等。
环境科学
大气污染物分析、土壤污染研 究等。
X射线光电子能谱分析的优缺点
1 优点
提供元素化学状态信息、非破坏性分析、高表面敏感性。
2 ห้องสมุดไป่ตู้点
样品需真空处理、分析深度有限、昂贵的设备和维护成本。
总结和展望
X射线光电子能谱分析是研究材料表面的有力工具。未来，随着仪器和技术的 不断进步，XPS将在更多领域发挥重要作用。
X射线光电子能谱分析方 法及原理(XPS)
X射线光电子能谱分析(XPS)是一种表面分析技术，通过测量材料的X射线光 电子能谱来研究材料的电子结构和化学组成。
X射线光电子能谱分析的基本 原理
XPS基于光电效应，探测材料与X射线相互作用所放出的光电子。通过测量光 电子能量和强度，可以推断材料表面元素的化学态。
X射线光电子能谱分析的仪器和实验设备
XPS仪器
包含X射线源、光电子能谱仪 和数据处理系统。
电子枪
产生高能电子束，用于激发材 料表面。
光电子能谱仪
测量光电子的能量和角度，用 于分析材料的电子结构。
X射线光电子能谱分析的样品准备方法
1 表面清洗
去除杂质和氧化层，以确保准确测量。
2 真空处理
在超高真空条件下进行实验，避免气体影响。
3 固定样品
使用样品架或夹具将样品固定在仪器中。
X射线光电子能谱分析的数据处理和解 析方法
峰面积计算
根据光电子峰的面积计算元素含量。
能级分析
通过分析光电子的能级分布，推断材料的化学状态。
谱峰拟合
将实验谱峰与已知标准进行拟合，确定元素的化学态和含量。
X射线光电子能谱分析的应用领域
X射线光电子能谱分析法
X射线光电子能谱分析法X射线光电子能谱分析法（XPS）是一种常用的表面分析技术，它通过测量材料表面的X射线光电子能谱来研究材料的化学组成、表面形貌以及表面电子结构等信息。
XPS技术具有高表面分辨率、高化学分辨率和宽能量范围等优点，被广泛应用于材料科学、表面科学和界面科学等领域。
下面将详细介绍XPS的原理、仪器结构、测量步骤以及应用。
XPS的原理：XPS基于光电效应，即当光子与物质相互作用时，能够使物质中的电子获得足够的能量从而被抛出。
通过测量被抛出的光电子的能量以及其强度，可以得到材料表面的各种信息。
XPS谱图由两个平行的轴表示，一个是电子能量轴，用来表示光电子的能量，另一个是计数轴，用来表示光电子的强度。
XPS的仪器结构：XPS的典型仪器结构包括光源、透镜系统、分析室、光电子能谱仪、多道分析器和检测器等部分。
其中，光源产生具有特定能量和强度的X射线，透镜系统用于聚焦X射线到样品表面，分析室用于保持真空环境，并可进行样品的表面清洁和预处理，光电子能谱仪用于测量光电子能谱，多道分析器用于对光电子的能量进行分析，检测器用于测量光电子的强度。
XPS的测量步骤：1.样品表面处理：对于有机材料，样品表面可能存在有机污染物，需要通过加热或离子轰击等方法进行表面清洁。
对于无机材料，一般不需要进行表面处理。
2.真空抽取：将样品放入真空室中，并进行抽取，以保证测量时的真空环境。
3.光源和透镜系统调节：调节光源的能量和透镜系统的聚焦，使其能够产生精确的X射线束。
4.测量样品表面：将样品置于X射线束中，测量样品表面的X射线光电子能谱。
5.数据分析：对测量得到的光电子能谱进行分析，得到材料的化学组成、表面形貌以及表面电子结构等信息。
XPS的应用：1.表面化学组成分析：XPS可以确定材料表面的元素组成和化学状态，对于催化剂、薄膜材料等具有重要意义。
2.表面形貌研究：通过测量不同位置的XPS谱图，可以了解材料表面的形貌特征，如晶体结构、晶粒尺寸等。
XPS_X射线光电子能谱技术
X射线光电子能谱X射线光电子能谱学（英文：X-ray photoelectron spectroscopy，简称XPS）是一种用于测定材料中元素构成、实验式，以及其中所含元素化学态和电子态的定量能谱技术。
这种技术用X射线照射所要分析的材料，同时测量从材料表面以下1纳米到10纳米范围内逸出电子的动能和数量，从而得到X射线光电子能谱。
X射线光电子能谱技术需要在超高真空环境下进行。
XPS是一种表面化学分析技术，可以用来分析金属材料在特定状态下或在一些加工处理后的表面化学。
这些加工处理方法包括空气或超高真空中的压裂、切割、刮削，用于清除某些表面污染的离子束蚀刻，为研究受热时的变化而置于加热环境，置于可反应的气体或溶剂环境，置于离子注入环境，以及置于紫外线照射环境等。
∙XPS也被称作ESCA，这是化学分析用电子能谱学（Electron Spectroscopy for Chemical Analysis）的简称。
∙XPS能够检测到所有原子序数大于等于3的元素（即包括锂及所有比锂重的元素），而不能检测到氢和氦。
∙对大多数元素而言的检出限大约为千分之几，在特定条件下检出极限也有可能达到百万分之几，例如元素在表面高度集中或需要长时间的累积时间。
XPS可以用来测量：∙表面的元素构成（通常范围为1纳米到10纳米）∙纯净材料的实验式∙不纯净表面的杂质的元素构成∙表面每一种元素的化学态和电子态∙表面元素构成的均匀性XPS特点XPS作为一种现代分析方法，具有如下特点[3]：（1）可以分析除H和He以外的所有元素，对所有元素的灵敏度具有相同的数量级。
（2）相邻元素的同种能级的谱线相隔较远，相互干扰较少，元素定性的标识性强。
（3）能够观测化学位移。
化学位移同原子氧化态、原子电荷和官能团有关。
化学位移信息是XPS用作结构分析和化学键研究的基础。
（4）可作定量分析。
既可测定元素的相对浓度，又可测定相同元素的不同氧化态的相对浓度。
表面光电子能谱_XPS_及其在木材科学与技术领域的应用
木材或木质结构单元如单板 、刨花和纤维等的表 面结构和化学组成对木质材料的表面性能影响极大 。 木材的氧化 、老化 、降解和木材胶接结构的破坏 、涂层 的脱落等往往从木材表面或界面开始 。但迄今为止 , 有关木材表面化学的知识还了 解尚少[ 1] , 因此 , 有关 木材表面的研究有着十分重要的意义 。
究中的重要性远不如 C1s峰 , 甚至许多 研究报导中根本不考虑 O 1s峰 。 O1s峰 一般比较窄 , 一般认为对纯纤维素 , 其
图 3 杉木表面 C1s的 XPS 图谱 Fig.3 XPS C1 s spectra of Chinese-fir wood
O 1s峰只有一个成分 , 因而没有化学位
原子内层电子受激发射 , 这些电子称为光电子 , 其现象 称为光电离或光致发射 , 有时称为光电效应 , 其过程服 从 Einstein 关系式 :
hv =Eb +Ek 式中 :hv 为入射光子能量 , 对于已知光源 , 该值一定 ; E k 为射出光电子的能量 , 可由光谱仪测出 ;Eb 为原子 内层电子的结合能 , 可根据上述关系式计算出 。固体 样品的真空能级与表面状态有关 , 易于改变 , 所以选 F ermi 能级作为参考能级 。
2 木质材料表面的 XPS 分析 木材主要由纤 维素 、半纤维素 、木素和抽出物组
成 , 其元素组成主要为 C 、H 、O 。 除 H 元素外 , C 和 O 元素均可由 XPS 探测分析 , 其中 C 元素的分析尤有价 值 。C 原子的电子结构为 1S22S22P2 , 其中 2S 和 2P 的 电子是形成杂化轨道而构成化学键的价电子 , XPS 探 测分析的主要对象是 C 原子内层的 1S 电子 。 如前所 述 , 由于电子结合能之大小与所结合的原子或原子团 有关 , 故可依 C1s峰强度和化学位移来了解其周围的化 学环境 , 从而得到有关木材表面化学性质的信息 。
XPS分析技术及其在材料微分析方面中的应用
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。
XPS表面分析技术在材料研究中的应用
表面分析技术1
表面分析技术
• 表面分析技术的应用涉及半导体、催化、冶
金、腐蚀、涂层、粘合、聚合物、注入、渗 杂等; • 表面分析技术是研究物质表面的形貌、化学 组成、原子结构、原子态等信息的实验技术; • 表面分析技术通过研究微观粒子与表面的相 互作用获得表面信息; • 按所获得的信息分类，可分为组分分析、结 构分析、形貌分析等。
解决荷电效应的方法
XPS设备与分析33
• 解决办法1：电子综合枪：用一个高电流、低能
量电子源引进补偿电子流。价格贵,使用不多; • 解决办法2：结合能坐标基准较好的办法是用内 标法，即将谱中一个特定峰明确地指定一个准确 的结合能Eb。一个常用的校正方法是令饱和碳氢 化合物(或吸附碳, 污染碳)中C1s284.8eV结合能 为基准定标。如 XPS谱图中污染碳C1s的测试值 为C1s=285.8eV,而 污染碳C1s的标准值为 C1s=284.8eV,相差悬1个电子伏特, XPS谱图中所 有元素的结合能都要减去1个电子伏特; • 解决办法3: 当样品中污染碳含量很少或样品中 含有其他的碳材料时,结合能坐标基准可用外标 法,在样品上蒸镀金作为参照物来定标，即选定 Au为84.0eV
XPS设备与分析35
化学位移
氟聚合物的C1s谱
碳的宽扫描XPS图谱
XPS设备与分析36
碳的化合物结合能位移图
XPS设备与分析37
XPS设备与分析38
XPS定量分析原理
• X射线光电子谱线强度反映样品中单质元
素及化合物各构成元素的含量或浓度; • 测量谱线强度，便可进行定量分析; • 测量样品中单质元素及化合物各构成元素 的绝对浓度相当困难，一般都是测量其相 对含量，也就是测量样品中某种元素在其 单质及该元素化合物中的相对原子浓度; • 只要测得特征谱线强度(峰高、峰面积)， 再利用相应元素及含该元素化合物的灵敏 度因子，便可得到相对浓度。
XPS在材料分析中的应用
小结
经过长期研究开发，XPS表面分析技术已经成为 一种常用而又有效的仪器分析方法。同时可以看出， 在实际分析检测过程中，为了准确、完整了解表面分 析，仅采用一种分析方法是不够的，应采用多种分析 手段，以期从不同角度分析表面特征，获得更完善的 信息
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当α= 90°时，XPS的采样深度最深， XPS的采样深度较深时，主要收集的是 次表面的成分
图七，Si3N4样品表面的硅主要以SiO2物 种存在。在掠射角逐渐增大时 ， Si3N4 的峰强度也在增大，说明样品内部主要 成分是Si3N4
元素价带谱分析
在C60中，π键的共轭度较小，其 三个分裂峰的强度较强。而在碳 纳米管和石墨中由于共轭度较大， 特征结构不明显。 从图上还可见，在C60分子的价 带谱上还存在其他三个分裂峰， 这些是由C60分子中的π键所产生。 从图上可见，在石墨，碳纳米管 和C60分子的价带谱上都有三个 基本峰。这三个峰均是由共轭键 产生的。
Eb⎯特定原子轨道上的结合能，eV；
φs⎯逸出功，eV
XPS的分析技术特点 ： (1)非破坏性； (2)可以研究有机物等表面；
(3)真空要求相对较低；
(4)能进行元素化合态和电子能带结构分析。
仪器构成
具体应用
表面元素定性分析
从图4可以看出，在薄膜表 面主要有Ti、N、C、O和 Al元素存在。Ti、N的信号 较弱，而O的信号很强。 这结果表明形成的薄膜主 要是氧化物，氧的存在会 影响Ti(CN)x薄膜的形成
XPS表面分析技术在材料 研究中的应用
徐泽 1131109079
前言
分析原理
仪器构成 具体应用
前言
表面分析技术是通过研究微观粒子与表面的相互作用获得表面信息， 研究物质表面的形貌、化学组成、原子结构、原子态等信息
X射线光电子能谱(XPS)基本原理及应用
Binding Energy(eV)
Au/Cr界面处元素的互扩散情况。互扩散很严重，渐变界面，界面层很厚。
8000000 7000000 6000000 5000000
Au4d
Au4p3/2
Cr2p
Intensity
4000000 3000000 2000000 1000000 0 300
350
400
85.1 4.68 10.22
BSCCO膜（超导材料）
2.元素化合价及化学态的确定
俄歇参数：俄歇电子动能与光电 子动能差（加X射线能量）。
有机物分子
3.成像XPS（XPS image)
XPS可对元素及其化学态进 行成像，绘出不同化学态的 不同元素在表面的分布图像。
4.深度剖析（depth profile)
另一个经验公式：
三、XPS应用
XPS可以告诉我们: 材料中有什么元素（研究未知材料） 这些元素处于什么化学态 每种元素含量是多少 在二维面内这些元素的分布或者价态分布如何，是 否均匀（缺陷分析，表面处理技术） 这些元素的分布随着三维的深度方向是怎么分布的 （研究界面材料）
1.样品表面的元素组成
一个重要概念：费米能级
f(E)
E
EF表示费米能级，f(E)表示能级E上电子的占据几率。 绝对零度下，电子占据的最高能级就是费米能级。
费米能级的物理意义是，该能级上的一个状态被电子占据的几率是1/2。
费米面
水面？
结合能Eb的测量
Eb= hv -Φ s- Ek
样品与仪器良好电接触，费米
Ek’ 真空能级 Φ样 hv Ek’’
界面间物质的互扩散
刻蚀5s/层 Te3d5/2
Cr2p3/2
材料研究分析方法XPS
材料研究分析方法XPSX射线光电子能谱（X-ray photoelectron spectroscopy，XPS）是一种广泛应用于材料研究和分析的表征技术。
它利用入射的X射线激发材料表面的电子，测量所产生的光电子的能量分布，从而确定样品的化学组成、元素状态和电子结构等信息。
本文将介绍XPS的基本原理、仪器及其应用。
XPS的基本原理是利用X射线激发材料表面的原子和分子，使其内层电子跃迁到外层，产生光电子。
这些光电子的动能与原子或分子的电子结构、化学环境和束缚能有关。
通过测量光电子的能谱，可以得到元素的化学状态、电荷状态和化学键的形式等信息。
XPS的实验装置一般包括X射线源、光学系统、电子能量分析器和探测器。
X射线源通常是基于一个X射线管，产生具有一定能量和强度的X射线。
光学系统将X射线聚焦到样品表面，同时也可以调节入射角度和区域。
电子能量分析器由能量选择器和探测器组成，能够分析光电子的能量分布。
探测器可以是多个位置灵敏的通道探测器，也可以是二维面探测器，用于测量光电子的能谱图像。
整个实验装置可以通过各种外围设备和计算机进行控制和数据处理。
XPS广泛应用于表面和界面的化学分析、薄膜和涂层的研究、材料的性能表征等领域。
在表面化学分析中，XPS可以用来确定元素的种类和含量，分析化学键的形式和强度，表征材料的化学性质和表面组成。
在薄膜和涂层研究中，XPS可以用来分析薄膜的厚度、界面的结构和反应机理，以及薄膜的成分和含量。
在材料性能表征中，XPS可以用来研究材料的电子结构、能带结构和载流子状态，了解材料的电子特性和导电机制。
XPS作为一种非接触性和表面敏感的表征技术，具有高分辨率、高灵敏度和高静态深度分辨能力等优点。
然而，XPS也有一些局限性，例如不能获取样品的化学状态和元素的价态，不能分析材料的体积成分等。
此外，XPS在样品准备和实验条件等方面要求较高，样品表面必须光滑且真空条件下进行测量。
总体而言，XPS是一种非常有用的表征技术，可以提供材料的表面和界面的化学信息，对于材料研究和分析具有重要的应用价值。
光电子能谱在材料表征中的应用
光电子能谱在材料表征中的应用光电子能谱是一种常用的表征材料性质的技术，它通过测量材料中光子的能量分布来获取材料的电子结构信息。
在材料研究领域，光电子能谱得到了广泛应用，为我们理解材料特性和开发新材料提供了重要的手段。
一、光电子能谱的基本原理和测量方法光电子能谱是利用光子与材料中的电子相互作用的结果来研究材料性质的一种方法。
当光子入射到物质表面时，会发生光电效应，将光子能量转移到材料中的电子，使电子跃迁到导带中，从而产生光电子。
测量光电子的能量和数量，可以得到材料的能带结构、价带结构以及电子态密度等信息。
光电子能谱的测量主要包括两个方面：能量分辨和空间分辨。
能量分辨是指对光电子能量的测量精度，通过使用高分辨率的能谱仪，可以准确地测量光电子的能量。
空间分辨是指对材料不同位置的光电子进行观测，通过调整入射角度和出射角度，可以测量样品表面不同位置的光电子能谱。
二、物理材料中的光电子能谱应用案例光电子能谱在材料科学领域的应用非常广泛，下面将介绍几个典型的应用案例。
1.材料表面性质研究：光电子能谱可用于研究材料表面的电子状态和化学性质。
通过测量光电子能谱，可以分析表面的原子组成、表面反应活性以及与表面相关的催化剂等特性。
这对于材料的薄膜生长和表面改性等工艺的优化至关重要。
2.能带结构研究：光电子能谱可以提供材料的能带结构信息，从而揭示材料的电子态密度和导电特性。
通过测量光电子能谱，可以获得电子在不同能级上的占据情况，从而评估材料的导电性能和能量带隙等关键参数。
3.界面和异质结构研究：在材料的界面和异质结构中，电子的能带结构常常发生变化。
光电子能谱可以通过测量电子在界面和异质结构中的能带分布，揭示界面和异质结构对材料性能的影响。
这对于材料的界面工程和异质结构设计提供了有力的支持。
4.材料缺陷和禁带态研究：材料中的缺陷和禁带态对材料性能有着重要影响。
通过测量光电子能谱的特征峰和能谱结构，可以识别和分析材料中的缺陷和禁带态。
X射线光电子能谱在材料研究中的应用
X射线光电子能谱在材料研究中的应用1 引言在许多技术领域，如电子、光学、冶金、化工及医学等，材料研究占有不可缺少的重要地位。
在材料制备及使用的过程中，常有化学变化在材料的表面区域发生。
因此，材料科学与工程的许多领域都包含对材料的表面化学研究。
作为最常用的表面表征技术之一的XPS(X射线光电子能谱)，在材料研究中有着广泛的应用。
XPS测试能够提供对材料研究非常有用的丰富信息。
它可用来检测固体材料表面及体相(通过合适的取样方法)所存在的化学元素。
除了氢和氦，所有元素都可通过XPS来检测。
在大部分情况下，XPS所提供的定性分析结果是明确可靠的。
XPS还是一种很有用的半定量分析技术。
在材料研究中，由XPS测量所得的化学组成对建立组份一过程一性能的关系非常有价值。
通过对电子结合能及俄歇参数的分析，XPS实验可提供材料中元素的化学价态信息，这对于研究材料的化学性能及其变化是非常有效的。
正是由于XPS含有化学信息，它也通常被称为化学分析电子能谱( Electron Spectroscopy for Chemical Analysis,ESCA)。
近年来，由于仪器方面的不断发展，许多以前不容易得到的信息可以较容易地用新一代的光电子能谱仪来测量，所以XPS的用途也就越来越广了。
XPS能谱中的价带区信号一般很微弱(通常只有内层电子光电子信号强度的百分之一左右)，而且集中在较窄的能量范围内(0 - 30e)，用一般的X射线光源(非单色的)很难测量价带谱。
现在高档的商业化能谱仪一般都带有单色器，而且光电子信号的检测效率高，可以相当有效地记录价带谱。
很多材料都有特征的价带谱，其中包含有与材料结构有关的信息。
这些结构信息用内层电子的光电子能谱很难得到。
比如说，聚乙烯和聚丙烯的Cls图谱基本上没有差别，而它们的价带谱却有明显区别在内层光电子逸出固体时，常伴有能量损失，因而在光电子主峰的高结合能的一边可出现能量损失的信号。
然而，正象价带谱那样，能量损失谱的信号一般也很弱，因而常被忽略。
X射线光电子能谱主要功能及应用实例
X射线光电子能谱主要功能及应用实例X射线光电子能谱（X-ray photoelectron spectroscopy，XPS）是一种常用于表面化学分析的技术。
它可以提供关于材料表面化学组成、价态、电子结构和电荷转移等信息。
以下是X射线光电子能谱的主要功能及应用实例。
1.表面化学分析：XPS可以确定材料的表面化学组成，包括原子种类、化学键和它们的相对丰度。
通过测量不同能量的光电子能谱，可以得到元素特征峰的强度和形状，从而定量分析材料表面上各种元素的相对含量。
应用实例：XPS广泛用于研究材料表面的符合物、生物界面、涂层和薄膜等。
例如，可以通过XPS分析材料的腐蚀表面层，以了解腐蚀过程中发生的化学变化。
另外，XPS也常被用来探测化学元素的清洁度，以确定材料的纯度。
2.化学价态分析：XPS可以测量材料中不同元素的化学价态。
通过分析元素的开壳层电子能级，可以确定元素的氧化态、配位数和电荷转移等信息，从而揭示材料的化学特性和反应活性。
应用实例：XPS可以用于研究催化剂表面的价态变化和催化反应机理。
例如，可以通过测量催化剂在不同反应条件下的XPS谱图，来研究催化剂表面的电子状态和活性位点，以及反应物在界面上的吸附和解离等过程。
3.能带结构测定：XPS可以提供材料的电子能带结构信息。
通过测量材料的价带和导带的能带边、费米能级、能带间距和带隙宽度等参数，可以了解材料的电子结构和导电性质。
应用实例：XPS可用于研究半导体、金属和氧化物等材料的能带结构和电子性质。
例如，可以通过测量半导体材料的价带和导带的能带边，来研究材料的能隙和输运性质，以及探索在光电子器件中的应用。
4.化学键分析：XPS可以测量材料中化学键的电子密度和价电子轨道的分布。
通过观察峰位和峰形的变化，可以推断出化学键的键长、键数和键的极性等信息。
应用实例：XPS可用于研究材料的化学键环境和键的特性。
例如，可以通过XPS测量材料中C1s能级的峰位和结构，来确定碳的化学键状态，从而分析碳材料的结构和官能团的存在。
电子能谱技术在表面科学中的应用
电子能谱技术在表面科学中的应用随着科技的不断发展，表面科学领域也得到了较大的拓展和发展。
在表面科学中，电子能谱技术的应用日益广泛，并成为了该领域中十分重要的一项技术手段。
本文将重点探讨电子能谱技术在表面科学中的应用。
一、电子能谱技术的基础原理电子能谱技术是利用电子束轰击目标原子或分子后，记录其所发出电子的能量谱，从而确定化合物的分子结构、元素种类及其数量等信息的一种分析技术。
具体来说，电子能谱技术主要应用于测定固体表面、薄膜以及分子表面等物质表面上原子层面的化学情况，以及表面化学反应和表面物理等方面的问题。
该技术模式主要有两种：即X射线光电子能谱（XPS）和AUg11X光电子能谱（UPS）。
二、电子能谱技术的应用领域在表面科学中，电子能谱技术具有广泛的应用。
其中，主要有以下几个方面。
1、表面元素分析表面元素分析是电子能谱技术最基本的应用形式。
通过电子能谱技术，可以确定表面化合物的元素种类和数量，而这项技术的应用通常用于研究各种不同表面上的表面物质，如有机膜、半导体器件以及金属表面等。
2、表面化学反应电子能谱技术可以同时测量反应前后化学反应物的表面成分变化，因而适合研究表面化学反应的动力学性质，如反应速率和反应机理等。
3、表面物理电子能谱技术可用于研究材料表面的电子结构、光散射、磁性等方面的物理性质，这对于有学者研究催化、电池、半导体和薄膜等材料非常重要。
4、表面修饰表面修饰是化学科学中常见的研究领域之一。
利用电子能谱技术，可以研究各种表面修饰技术的效果、修饰对于材料性能的影响以及表面修饰对于催化、生物传感和电化学等方面的应用。
三、电子能谱技术的优点电子能谱技术作为一种分析方法，其有很多优点。
主要有以下几个：1、非接触式表面分析在电子能谱技术中，电子束在样品表面上触发电子发射，而损伤几率很低。
相对于其他的表面分析技术，该技术的样品表面区域可以在原始形态下被测量，并且该方法具有非接触式的分析特点。
2、无样品预处理电子能谱技术不需要对样品进行任何处理，就能够使样品获得其表面的化学信息。
X射线光电子能谱的原理及应用
X射线光电子能谱的原理及应用X射线光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS）是一种表面分析技术，用于研究材料表面的化学成分、化学状态和电荷状态。
它通过照射样品表面并测量由样品表面发射的光电子能谱，从而获得关于材料表面组成和电子结构的信息。
XPS的原理基于光电效应。
当X射线入射到样品表面时，电子会被X射线的光子打出材料表面。
这些光电子的能量与入射X射线的能量以及材料的原子种类和化学环境有关。
通过测量光电子的能谱，可以获得关于材料表面成分的信息。
光电子能谱的主要参数有能量分辨率、峰形、峰位置和峰宽等。
XPS广泛应用于材料科学、化学、表面物理和生物医学等领域。
其主要应用包括以下几个方面：1.表面组成分析：XPS可以确定材料表面的化学成分，并对不同元素的相对浓度进行定量分析。
它可以检测到几乎所有元素，从轻元素如氢、碳和氧，到重元素如金、铂和铯等。
2.化学状态分析：XPS可以确定材料表面元素的化学状态。
通过分析光电子能谱的峰形和峰位置，可以得到元素的氧化态、配位数、交互作用和表面化学修饰等信息。
3.表面电子结构研究：XPS可以提供关于材料表面电子能级的信息。
通过分析光电子能谱的截止能和费米能，可以得到材料表面的电子结构、能带结构以及禁带宽度等。
4.界面分析：XPS可以研究材料表面与其他材料接触或相交界面的化学反应。
它可以检测到界面的化学状态和元素扩散情况，有助于理解材料的粘结、复合和电子传输性质。
5.反应动力学研究：通过实时监测表面化学反应的XPS实验，可以研究反应速率、反应机理和反应活化能等动力学参数。
总之，X射线光电子能谱是一种非常强大的表面分析技术，可以提供关于材料表面成分、化学状态和电子结构的丰富信息。
它在材料科学、化学、表面物理和生物医学等领域有广泛的应用。
XPS技术在材料科学中的应用
XPS技术在材料科学中的应用随着现代科技的迅速发展，各行各业都开始了数字化转型。
在材料科学方面，XPS(表面析出光谱)技术的应用越来越受到重视。
它是一项准确测量固体表面成分和化学状态的技术，可用于研究表面反应、薄膜和涂层的成分和结构，常常被广泛应用于先进材料的研究中。
1. XPS技术概述XPS是一种固体表面分析方法，它是通过利用膜内或真空中的光子(通常是X射线)散射特性来测量材料表面成分的光电子能谱分析技术。
通过探针束(通常是X射线)，分析样品表面的光电发射能谱，从而得出材料表面的元素组成、组态以及表面成分的化学状态等信息。
此技术有高度定量的能力和无损测量的优势。
2. XPS技术在材料科学中的应用2.1 表面成分分析XPS技术可对表面材料进行成分和化学状态的分析，这对于研究表面反应和化学吸附行为至关重要。
例如，科学家们可以通过XPS技术来检测材料表面的化学反应以及新物质在表面的形成过程，这些成果可以用于新型材料的研发。
此外，通过增加样品的自旋特征，XPS还有助于检测低浓度的污染物。
2.2 薄膜和涂层分析XPS技术不仅可以分析表面成分，还可以用来研究薄膜和涂层的化学组成和结构。
这种方法可以精确地判断涂层材料中的元素和所构成的物质的化学状态，进而确定薄膜和涂层的厚度、接口和化学反应等特性。
因此，利用XPS技术分析薄膜和涂层有着非常广泛的应用前景，如光学薄膜、纳米材料、金属涂层等领域可以通过利用这一技术来加深对材料构造的了解。
2.3 化学键析出分析XPS技术也可以用于化学键析出分析。
通过测量内壳轨道或价带能量的变化，它可以非常精确地判断元素的电子结构，以及电子从原子中提取的能量与元素的化学键强度之间的关系。
然后就可以用这种方法来精确地研究元素之间的相互作用和化学反应，从而了解各种材料之间的结构及其材料性质。
特别是对于分子材料设计和表征、高分子材料表面界面性质及其方法等研究中得到了广泛的应用。
3. XPS技术的优势在材料科学研究中，XPS技术有着很大的优势。
电子能谱技术在材料表征与分析中的应用方法
电子能谱技术在材料表征与分析中的应用方法材料表征与分析是材料科学研究中的重要环节，它能够揭示材料的组成、结构和性能等关键信息。
而电子能谱技术作为一种非常有效的表征手段，已经在材料科学领域得到了广泛的应用。
本文将介绍电子能谱技术的基本原理和几种常见的应用方法。
一、电子能谱技术的基本原理电子能谱技术是利用材料中原子核外电子的能级分布来表征材料的一种方法。
它基于电子与材料原子相互作用的原理，通过测量材料中电子的能量分布来获得材料的组成和结构等信息。
常见的电子能谱技术包括X射线光电子能谱（XPS）、紫外光电子能谱（UPS）和逆光电子能谱（IPES）等。
二、X射线光电子能谱（XPS）的应用方法X射线光电子能谱是一种常用的电子能谱技术，它能够提供材料的元素组成、化学状态和电子能级等信息。
在XPS实验中，通过照射样品表面的X射线，使样品中的电子被激发并逸出，然后测量逸出电子的能量和强度。
通过分析逸出电子的能谱，可以确定材料中各种元素的存在状态和相对含量。
此外，XPS还可以通过调节X射线的能量来探测材料的深度分布，从而获得材料的表面和体积信息。
三、紫外光电子能谱（UPS）的应用方法紫外光电子能谱是一种用于研究材料能带结构的电子能谱技术。
在UPS实验中，通过照射样品表面的紫外光，使样品中的电子被激发并逸出，然后测量逸出电子的能量和强度。
与XPS相比，UPS测量的是逸出电子的动能，可以提供更加详细的材料能带结构信息。
通过分析逸出电子的能谱，可以确定材料的能带宽度、能带位置和价带顶等参数，从而揭示材料的电子结构和导电性质。
四、逆光电子能谱（IPES）的应用方法逆光电子能谱是一种用于研究材料电子结构的电子能谱技术。
在IPES实验中，通过照射样品表面的高能电子束，使样品中的电子被激发并逸出，然后测量逸出电子的能量和强度。
与XPS和UPS相比，IPES测量的是逸出电子的能量和角度，可以提供更加全面的材料电子结构信息。
通过分析逸出电子的能谱和角度分布，可以确定材料的能带结构、费米面和态密度等参数，从而揭示材料的电子结构和输运性质。
X射线光电子能谱(XPS)的基本原理及应用
准备样品 - 放置于真空室中 - 照射X射线 - 测 量电子能谱 - 分析和解释结果。
XPS在材料表征中的应用
半导体材料
XPS可用于研究半导体材料的表面化学状况和 界面特性。
聚合物材料
对聚合物材料进行表面分析，了解其化学成分 和表面改性效果。
金属合金
生物材料
XPS可用于表征金属合金的成分和表面氧化状态。 研究生物材料表面的化学活性，用于医学和生 物工程领域。
XPS可用于确定催化剂表面的活性位点，帮助优化催化剂设计。
Hale Waihona Puke 2反应机理研究通过分析催化剂表面的元素状态和化学键情况，揭示催化反应的机理。
3
失活机制研究
通过分析催化剂失活前后的表面化学状态，探究失活机制并提出改进策略。
总结和展望
X射线光电子能谱 (XPS) 是一种强大的表面分析技术，广泛应用于材料科学和表面化学领域。未来，随 着技术的进一步发展，XPS将在更多领域发挥重要作用。
X射线光电子能谱 (XPS) 的基本原理及应用
X射线光电子能谱 (XPS) 是一种先进的分析技术，可用于研究和表征材料的 表面组成和化学状态。
定义和概述
1 什么是XPS？
2 工作原理
X射线光电子能谱 (XPS) 是一种非接触性的表面 分析技术，通过测量材 料表面上光电子的能谱 来了解元素的化学状态、 组成和表面反应性。
2
能谱测量
测量电子的能量和强度，建立能谱图，分析元素和化学状态。
3
定量分析
通过峰面积计算得到元素的相对含量，进一步分析材料组成。
XPS仪器的组成和工作流程
X射线源
发射足够强的X射线束以激发样品表面原子。
电子能谱仪
XPS在材料研究中的应用
XPS在材料研究中的应用摘要本文总结了X射线光电子能谱（XPS）的分析原理、研究进展，并介绍了几种XPS在材料研究中的应用分析实例。
关键词XPS，材料，分析1 前言XPS的起源最早可追溯到人们对光电子的研究。
1954年,以瑞典Uppsala大学k.Siegbahn 教授为首的研究中心首次准确测定光电子的动能，不久观测到了元素的化学位移。
由于XPS 能够根据元素的化学位移分析出材料的化学状态，曾被命名为化学分析用电子能谱，即ESCA（ElectronSpectroscopy for Chemical Analysis）。
20世纪70年代末，XPS开始涉足有机物、高分子材料及木质材料领域，80年代末，XPS 的灵敏度及分辨率有了显著提高，现代XPS 正在向着单色、小面积、成像三方向发展。
XPS 以其灵敏度高、破坏性小、制样简单的优点及定性强、能够分析材料表面元素组成及元素化学价态的特点而成为木质材料研究领域中一项重要分析手段。
XPS 基本原理是利用X 射线辐照样品，在样品表面发生光电效应，产生光电子，如图1。
通过对出射光电子能量分布分析，得到电子结合能的分布信息，进而实现对表面元素组成及价态分析。
XPS采样深度与光电子的能量和材料性质有关，在深度为光电子的平均自由程λ 的3 倍处，达到最佳，对金属约为0.5～2 nm；无机物1～3 nm；有机物1～10 nm。
运用XPS 可对木质材料进行定性及定量分析。
图1 X 射线光电子能谱的光电效应原理图图2 XPS 实验装置示意图（a）和光电子能级图（b）2 XPS在材料研究中应用实例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。
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致 ,需进行校正 , 一般可用 O1s 峰作参 照[ 8, 9] ,因为其化学位移较小 。 经校正
后的结合能分别为 284.95 eV 、286.66
eV 和 288.18 eV , 即荷 电效应约 2.05
eV , 校正后的 C1 、C2 、C3 的结合能落在
正常范围内 。 O 1s峰在木材表 面化学组成 的研
学环境和氧化态的差异会引起化学位移 , 实际上 , 许多 化学位移比较小 , 光电子峰难以明显分开而形成峰的 重叠 。把重叠峰分解成与化学环境相应的各个子峰的 过程称为重叠峰的解叠 。 解叠过程是人为的曲线拟合 过程 , 即通过调节子峰的数量 、位置 、宽度和高度 , 直到 它们的叠合与实验曲线拟合为止 。 分析实验曲线的拐 点和样品分子的结构 , 可大致确定出子峰的数量 、位置 和相对强度 。在解叠过程中尚需扣除本底 。
况相符 。图 3 是样品的 C1s的谱峰 , 外
轮廓线下的三个小峰由峰分解技术得
到 , 代表处于不同化学结构的碳原子 ,
分别为 C1 、C2 、C3 , 峰面积 的百分 比 分别为 :79.13 、15.17 和 5.70 %, 表明 C —C 键的含量很高 , 即非碳水化合物 含量较高 。 外轮廓线与三个小峰的合
样品中除 H 和 He 以外的所有元素的
内层电子的结合能 , 图 2 在 285 ～ 290
eV 和 535 eV 附近有强峰 , 表明杉木
表面化学组成中含大量的 C 和 O 元
素 , 分析过程中尚能给出各元素的含
量比 。 本 研 究 的 杉 木 O/ C 比 为
0.22 , 表明未经抽提处理的杉木表面 富集松香酸等抽出物[ 7] , 这与实际情
收稿日期 1998-12-08 ＊西南林学院副教授 , 昆明 650224
面灵敏度远高于其它方法 , 此外不破坏样品 , 对样品的 形态也无特殊要求 。
本文简要介绍表面光电子能谱的基本原理 、分析 方法 、木材表面化学组成基本特征以及表面光电子能 谱在木材科学与技术领域的应用 。
1 基本原理及实验技术[ 3 , 4] 具有一定能量 hv 的 X 射线照射样品时 , 样品中
木材或木质结构单元如单板 、刨花和纤维等的表 面结构和化学组成对木质材料的表面性能影响极大 。 木材的氧化 、老化 、降解和木材胶接结构的破坏 、涂层 的脱落等往往从木材表面或界面开始 。但迄今为止 , 有关木材表面化学的知识还了 解尚少[ 1] , 因此 , 有关 木材表面的研究有着十分重要的意义 。
2 木质材料表面的 XPS 分析 木材主要由纤 维素 、半纤维素 、木素和抽出物组
成 , 其元素组成主要为 C 、H 、O 。 除 H 元素外 , C 和 O 元素均可由 XPS 探测分析 , 其中 C 元素的分析尤有价 值 。C 原子的电子结构为 1S22S22P2 , 其中 2S 和 2P 的 电子是形成杂化轨道而构成化学键的价电子 , XPS 探 测分析的主要对象是 C 原子内层的 1S 电子 。 如前所 述 , 由于电子结合能之大小与所结合的原子或原子团 有关 , 故可依 C1s峰强度和化学位移来了解其周围的化 学环境 , 从而得到有关木材表面化学性质的信息 。
Application of X-ray Photoelectron Spectroscopy in Wood Science and Technology
Du Guanben
(Southw est Forest ry College , K unming 650224)
Abstract X-ray photoelect ron spect roscopy(XPS)is one of the most pow erful and useful tool f or chemical composi tion analysis on both wood and fiber surfaces .In this paper , principal theory and analy zing method of XPS were reviewed .Relevant experimental and data processes of w ood surf ace analysis were int roduced .F inally , practical applicat ions of the XPS in wood science and technology w ere discussed . Keywords X-ray pho toelectron spectroscopy(XPS);Wood science and technology
E b =hv -Eb -Υsp 式中 :Υsp 为谱仪功函数 , 考虑局部电场对光电子的作
· 17 ·
M ay 1999
CHINA WOOD INDUST RY
Vol .13 No .3
用 , 公式可进一步修正 。 被测样品原子的种类将影响其电子的结合能 , 同
时化学结构和化学环境使其产生微小的变化 , 这种变 化称为化学位移 。 因此 , 通过测定电子结合能的大小 可对化学元素定性 , 通过测定化学位移的大小可以了 解其化学结构或化学状态 , 这是应用 XPS 技术得到的 最重要的信息 。
图 2 杉木表面 XPS 宽扫描图 Fig.2 Wide-scan XPS spectra of Chinese-fir wood
成曲线基本重叠 , 表明拟合良好 。图谱
中 C1 、C2 、C3 的结合能分别为 287.00
eV 、288.71 eV 和 290.23 eV , 显然高于
前述的正常范围 , 这是表面荷电效应所
木材等多数高分子样品是非导电性材料 , 由于样 品表面的荷电效应使发射出来的光电子的动能减少 , 因而测得的结合能大于真实值达几个电子伏特 。 要得 到准确的结合能值就必须对图谱的能量坐标进行校正 , 或用电子中和枪消除或减少荷电效应 。校正的基本方 法是利用图谱中已知结合能的峰作为参考峰 。
如前所述 , 同一元素不同原子的光电子峰 , 由于化 · 18 ·
究中的重要性远不如 C1s峰 , 甚至许多 研究报导中根本不考虑 O 1s峰 。 O1s峰 一般比较窄 , 一般认为对纯纤维素 , 其
图 3 杉木表面 C1s的 XPS 图谱 Fig.3 XPS C1 s spectra of Chinese-fir wood
O 1s峰只有一个成分 , 因而没有化学位
醚键(diary l ether)联接的氧 , O2 仍为
纤维素中与碳单键联接的氧 , O3 则为 酚羟 基(phenolic OH)的氧 或类似 结 构中的氧 , 如氧一侧与苯环相连而另 一侧与烷烃碳相连等 , 此外 , 羧酸根中的 氧也归入此
图 4 杉木表面 O1s的 XPS 图谱 Fig.4 XPS O1s spectra of Chinese- fir wood
上述结合方式中 , 前三种是主要结合方式 。 图 2 、图 3 和图 4 分别是作者在 PH I 5500 ESCA 仪器 上所得 到的杉 木样 品(未抽 提)的 XPS 宽 扫描 图 、C1s的谱峰和 O1s的谱峰 。X PS 宽扫描图可以给出
第 13 卷 第 3 期
木材工业
1999 年 5 月
移 , 因为纤维素中和碳的联接方式
均为单键 , 这类氧通常归为 O2 , 而通
过双键与碳相连的氧具有较低的结合
能 , 归为 O 1 。 A hmed 等[ 9] 以 木素 模
型化合物和纤 维素的 XPS 分析 为基 础 , 尝试性地把氧分为三类 :O1 为苄
基芳基醚(benzyl ary l ether)或二芳基
Do rris 和 G ray[ 5, 6] 将木材中的碳原子划分为四种 结合形式 , 分别记为 C1 、C2 、C3 、C4 , 各结构特征和化 学位移如下 :
C1 —仅与其它碳原子 或氢原子 相结合 。 这主要 来自木素苯基丙烷和脂肪酸 、脂肪和蜡等 , 其电子结合 能较低 , 约为 285 eV 。
电子能谱仪的主要原件包括激发源 、电子能谱分 析器 、探测器纪录控制系统 、真空系统等 , 如图 1 所示 。 由激发源发射出来的光子束照射在样品上 , 样品中的 束缚电子受激发而电离 , 进而发射光电子 。 光电子在 能量分析器中按其能量或动量被`色散' 或聚焦 , 由探 测器接受 , 探测器输出的脉冲信号经放大 、甄别和整形 后输入到记录控制系统 , 最后输入至 X-Y 记录仪的 Y 轴驱动器上 ;而对光电子能量的扫描可通过连续地或 步进地控制分析器电压或电流的变化来实现 。将此扫 描电压同时输至 X-Y 记录仪的 X 轴驱动器上 , 作出光 电子能谱 。
X PS 的起源最早可追溯到对光电子的研究[ 2] , 但 在 70 年代以后 , 逐渐扩大到对有机物 、高分子材料及 木质材料表面的研究 , 现已成为木材表面研究的重要 分析手段 。 电子能谱的基本原理是用 X 射线 、紫外光 或电子束等照射样品 , 使样品中原子或分子的电子受 激发射出来 , 测出这些电子的能量分布 , 从中获得所需 的能量信息 。根据激发源和测量参数的不同 , 电子能 谱法有许多分支 。 用 X 射线作为激发源的称为 X 射 线光电子能谱(XPS), 由于其在化学分析领域广泛应 用 , 故又称化学分析用电子能谱(ESCA)。X 射线光电 子能谱的信息主要来自 10 nm 以内的近表面层 , 其表
原子内层电子受激发射 , 这些电子称为光电子 , 其现象 称为光电离或光致发射 , 有时称为光电效应 , 其过程服 从 Einstein 关系式 :
hv =Eb +Ek 式中 :hv 为入射光子能量 , 对于已知光源 , 该值一定 ; E k 为射出光电子的能量 , 可由光谱仪测出 ;Eb 为原子 内层电子的结合能 , 可根据上述关系式计算出 。固体 样品的真空能级与表面状态有关 , 易于改变 , 所以选 F ermi 能级作为参考能级 。