X射线光电子能谱avantage

XPS谱图信息
XPS谱图的表示 横坐标：动能或结合能，单位是eV， 一般以结合能为横坐标。 纵坐标：相对强度（CPS）。
结合能为横坐标的优点： ➢ 结合能比动能更能反应电子的壳层
结构（能级结构） ➢ 结合能与激发光源的能量无关
Barium Oxide Monochromated XPS\Spot Size 500 µm
注意：颗粒细（一般小于0.2mm）且均匀，粉末样品尽量事先干燥； 在压片样品上分析时尽量选用平整测试区域； 制样时使用无粉乳胶手套、尽量使用绝缘双面胶； 如样品不好压片，考虑增大压力或者使用粘结剂 样品放气气压低
压片与粘在双面胶上两种制样方法比较
压 片
粘 在 双 面 胶 带
两种制样比较： 粉末样品压片与粘在双面胶带上相比，强度和信噪比明显改善。
物理清洗，用干氮气吹干； 3、机械清洁，刮削、打磨、断裂等； 4、离子（Ar+）刻蚀清洁； 5、预抽、加热脱附等； 6、化学清洁； ……
XPS谱图信息
谱峰、背底或伴峰
谱峰：X射线光电子入射，激发出 的弹性散射的光电子形成的谱峰， 谱峰明显而尖锐。
背底或伴峰：如光电子(从产生处 向表面)输送过程中因非弹性散射 (损失能量)而产生的能量损失峰， X射线源的强伴线产生的伴峰，俄 歇电子峰等。
Barium Oxide Monochromated XPS\Spot Size 500 µm
二、 XPS仪器结构——ESCALAB 250Xi
光电子传输透镜 Video 摄像
电子能量分析器
电子中和系统 离子枪
样品台
样品停放台
磁透镜
原位反应装置
原位反应装置
三、样品制备方法
粉末样品
•压片 •粘到双面胶带上 •分散到水或挥发性有机溶剂中，形成悬浊液，滴到硅片等固 体基片、金属箔或滤膜、海绵等基底上
•滴到Si片、聚乙烯/聚丙烯、金属片、滤膜、 滤纸、树脂、海绵等固体基片上晾干或冷冻干 燥后上机测试 •注意基底干扰，预测空白，正确选择基底
样品制备
纤维细丝（网）样品
2mm的螺丝孔
样品制备
磁性（含软磁）材料样品
•退磁/消磁；
•采用静电透镜模式测试：一般样品磁性较强时，使用标准模式 透镜无法获得正确图谱，需采用静电透镜模式，单独安装在样品 台上；中和时使用静电模式中和枪 注意：一般在静电模式下，信号强度、分辨率、荷电中和效果均 不及标准模式
X射线光电子能谱
基础与应用
中科院兰州化学物理研究所 公共技术服务中心 刘佳梅
主要内容
一、XPS工作原理 二、XPS仪器结构 三、样品制备方法 四、数据处理分析 五、应用实例分析
一、XPS工作原理
XPS工作原理
hv Ek Eb
Eb：电子结合能，电子克服原的能量。特定原子、特定轨道上的电子的结合能 为定值。 Φ：仪器的功函数 Ek：电子刚逸出表面时具有的动能
背底峰的特点: 在谱图中随着结合能的增加，背底电子的强度逐渐上升 。
XPS谱图信息
XPS峰强度的经验规律
（1）主量子数小的壳层的峰比 主量子数大的峰强；
（2）同一壳层，角量子数大的 峰强；
（3）n和l都相同者，j大的峰强。
例如：Ag 3d5/2峰
XPS功能
XPS可以告诉我们:
材料中有什么元素（研究未知材料）——定性分析 这些元素处于什么化学态——定性分析 每种元素（价态）含量是多少——定量分析 通过XPS成像分析二维面内的元素分布和价态分布（缺陷分 析、表面污染检测，表面处理技术）——元素及价态分布 离子束刻蚀深度剖析和角分辨XPS研究元素随着三维深度方 向的分布（研究界面材料）——深度分析
• 样品在真空中污染慢、程度小。为减少污染，样品制备后应 尽早送入样品真空室测试；
氧化锌薄膜：长久暴露在空气中表面被污染
Zn2p
C1s
Zn2p
C1s
放置约半年
新制备
样品表面污染不仅降低原始信号的强度，还出现污染物的干扰峰和背景的提升
清洁样品表面方法：
1、干氮气吹； 2、有机溶剂（酒精）、水等直接
电子结合能与以下因素有关：
元素类别、电子占据轨道、元素所处化学态
不同元素的结合能——“指纹图”
电子结合能化学位移
电子结合能位移： 原子的一个内壳层电子的结合能受核内电荷和核
外电子分布的影响。任何引起这些电荷分布发生变化的因素都有可能使 原子内壳层电子的结合能产生变化。
化学位移：由于原子处于不同的化学环境(如价态变化或与电负性不同的 原子结合等)发生改变，所引起的结合能位移。 物理位移：由于物理因素(热效应、表面电荷、凝聚态的固态效应等)而 引起的结合能的位移。
相对于中性原子的结合能
XPS的表面敏感性
XPS是一种表面敏感的技术手段，测试表面以下约30个 原子层(10nm)
测试厚度：
金属 氧化物 有机物和聚合物
0.5-2nm 2-4nm 4-10nm
检测限：0.1%~1%
XPS可以识别材料表面的元素组成 XPS可以得到材料表面上每种元素的价态信息
有时候我们需要了解的材料的深度分布信息不止10 nm，那么这个时候我 们就需要利用另外一种手段来进行深度剖析——离子束刻蚀
电子结合能化学位移
原子结构示意 电子
电子——电子 排斥作用
Nucleus
电子——原子核 互相吸引
如果同一个元素处在不同的价态，那么由于其所处的化学环境不同（有效库 仑相互作用变化），相同能级的结合能也会有差别。具体表现为：
正价态，核外电子减少，核屏蔽减弱，结合能增加 负价态，核外电子增加，核屏蔽增强，结合能减少
•如需要采用磁透镜模式测试：如果样品磁性较弱，可以尽量减 少样品尺寸，以降低样品磁性对电子能量分析器的影响，这也表 现了小束斑XPS的优越性；
样品表面污染
• 样品存放在环境中不可避免地存在表面污染； • 环境气氛污染元素一般有：
C、O、Na、Cl、S、Si、Ca等 • 样品表面污染不仅降低原始信号的强度，还出现污染物的干 扰峰和背景的提升 • 例如：在空气中存放的ZnO样品表面
粉末样品制备——双面胶压片制样流程
1-2cm 铝箔 中心粘3mm双面胶
粉末平铺于双面胶 厚度1mm左右
覆盖铝箔
粘在样品台上
取出压片 剪出中心1mm样品 用吸耳球吹去表层粉末
5-10MPa压片
样品制备
块状样品
直接粘到样品台上 样品高度及样品大小有限制（高度小于4mm)
样品制备
（悬浊）液体、离子液体、膏状、 明胶样品制样