X射线光电子能谱学 编辑

射线、光学、物理学领域术语

X射线光电子能谱学X射线光电子能谱学

X射线光电子能谱学(英文:X-ray photoelectron spectroscopy,简称XPS)XPS主要应用是测定电子的结合能来鉴定样品表面的化学性质及组成的分析,其特点在光电子来自表面10nm以内,仅带出表面的化学信息,具有分析区域小、分析深度浅和不破坏样品的特点,广泛应用于金属、无机材料、催化剂、聚合物、涂层材料矿石等各种材料的研究,以及腐蚀、摩擦、润滑、粘接、催化、包覆、氧化等过程的研究。

基本信息

编辑

中文名:X射线光电子能谱学

外文名:X-ray photoelectron spectroscopy

领域:射线、光学、物理学

应用:材料表面、以及腐蚀、氧化分析

简称:XPS

简介

编辑
X射线光电子能谱学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被广泛应用于分析无机化合物、合金、半导体、聚合物、元素、催化剂、玻璃、陶瓷、染料、纸、墨水、木材、化妆品、牙齿、骨骼、移植物、生物材料、油脂、胶水等。

    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

    进行X射线光电子能谱技术可以采用商业公司或个人制造的XPS系统,也可采用一个基于同步加速器的光和一台特别设计的电子分析器组合而成。商业公司制造的XPS系统通常采用光束长度为20至200微米的单色铝Kα线,或者采用10至30微米的复色镁射线。某些经特殊设计的少数XPS系统可以用于分析高温或低温下的挥发性液体和气体材料,以及在压强大约为1托的真空下进行工作,但这类XPS系统通常都相对少见。

  • XPS的历史

    编辑
    1887年,海因里希·鲁道夫·赫兹发现了光电效应,1905年,爱因斯坦解释了该现象,并为此获得了1921年的诺贝尔物理学奖。两年后的1907年,P.D. Innes用伦琴管、亥姆霍兹线圈、磁场半球(电子能量分析仪)和照像平版做实验来记录宽带发射电子和速度的函数关系,他的实验事实上记录了人类第一条X射线光电子能谱。其他研究者如亨利·莫塞莱、罗林逊和罗宾逊等人则分别独立进行了多项实验,试图研究这些宽带所包含的细节内容。

    XPS的研究由于战争而中止,瑞典物理学家凯·西格巴恩和他在乌普萨拉的研究小组于第二次世界大战后,在研发XPS设备中获得了多项重大进展,并于1954年获得了氯化钠的首条高能高分辨X射线光电子能谱,显示了XPS技术的强大潜力。1967年之后的几年间,西格巴恩就XPS技术发表了一系列学术成果,使XPS的应用被世人所公认。在与西格巴恩的合作下,美国惠普公司于1969年制造了世界上首台商业单色X射线光电子能谱仪。1981年西格巴恩获得诺贝尔物理学奖,以表彰他将XPS发展为一个重要分析技术所作出的杰出贡献。

    物理原理

    编辑
    XPS的原理为利用X射线照射样品,激发原子的内层电子及价电子,使其发射出来,激发出来的电子称为光电子。通过测量不同能量的光电子的数目,以结合能或光电子的动能(结合能,Binding Energy(Eb),Eb=hv(光子能量)-Ek(光电子动能)-w(功函数))为横坐标,相对强度(counts/s)为纵坐标可做出光电子能谱图,从而获得试样有关信息。因X射线光电子能谱学对化学分析极为有用,还被称为化学分析用电子能谱学(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis)。

    系统组件

    编辑
    一台标准商业化的XPS系统的主要组件包括:

  • X射线源(包括经过单色化和未经单色化的X射线源,通常利用铝或镁作为靶材)

  • 超高真空腔室及相应的真空泵组(腔室通常用高μ材料,即磁导率较高的材料,以屏蔽外界磁场)

  • 适度真空的样品腔室

  • 电子收集透镜(提高电子收集率,从而提高谱图质量)

  • 电子能量分析仪(记录不同能量的光电子的数目)

  • 离子枪或团簇枪(通过离子溅射或团簇溅射去除表面污染或做深度剖析)

  • 样品台及其操控装置

    此外,部分商业化设备还可根据客户要求加装:

  • 俄歇电子能谱(Auger Electron Spectroscopy, AES);

  • 拉曼光谱(Raman Spectra);

  • 真空断裂台(在真空中对样品进行解理);

  • 高压反应腔室等。

  • 用途和功能

    编辑
    XPS主要功能有三个:

  • 确定样品表面10nm厚度内的元素种类(除氢和氦);

  • 确定元素的相对百分比含量;

  • 元素的化学环境(价态等)。

    通过仪器操作及数据处理,还可获得以下信息:

  • 样品表面的元素分布图;

  • 样品表面同种元素的不同价态分布图;

    其中分辨素主要受X射线光斑大小限制(可达到10微米量级)。

    加装了其它设备后(如离子枪),还可以获得:

  • 元素的组成、百分比及化学环境随深度的变化关系。

    高级系统的功能:

  • 测量元素组分在样品表面的均匀度(line profiling,或mapping);

  • 通过离子束蚀刻,测量元素组分与深度的关系(depth profiling);

  • 通过倾斜样品,测量元素组分与深度的关系(角分辨XPS)。

    参见

  • 紫外光电子能谱学(UltravioletPhotoelectronSpectroscopy,UPS)

  • 光电子发射能谱学

  • 材料分析方法列表

    相关方法:

  • UPS,紫外光电子能谱学(for gases, aka PES)

  • PES,光电子发射能谱(for solid surfaces, aka UPS)

  • ZEKE,零电子动能能谱学

  • AES,俄歇电子能谱学(AES)