X射線光電子能譜學

X射線光電子能譜學（英文：X-ray photoelectron spectroscopy，簡稱XPS）

XPS主要套用是測定電子的結合能來鑑定樣品表面的化學性質及組成的分析，其特點在光電子來自表面10nm以內，僅帶出表面的化學信息，具有分析區域小、分析深度淺和不破壞樣品的特點，廣泛套用於金屬、無機材料、催化劑、聚合物、塗層材料礦石等各種材料的研究，以及腐蝕、摩擦、潤滑、粘接、催化、包覆、氧化等過程的研究。

基本介紹

• 中文名：X射線光電子能譜學
• 外文名：X-ray photoelectron spectroscopy
• 領域：射線、光學、物理學
• 套用：材料表面、以及腐蝕、氧化分析
• 簡稱：XPS

簡介

X射線光電子能譜學是一種用於測定材料中元素構成、實驗式，以及其中所含元素化學態和電子態的定量能譜技術。這種技術用X射線照射所要分析的材料，同時測量從材料表面以下1納米到10納米範圍內逸出電子的動能和數量，從而得到X射線光電子能譜。X射線光電子能譜技術需要在超高真空環境下進行。

XPS是一種表面化學分析技術，可以用來分析金屬材料在特定狀態下或在一些加工處理後的表面化學。這些加工處理方法包括空氣或超高真空中的壓裂、切割、刮削，用於清除某些表面污染的離子束蝕刻，為研究受熱時的變化而置於加熱環境，置於可反應的氣體或溶劑環境，置於離子注入環境，以及置於紫外線照射環境等。

• XPS也被稱作ESCA，這是化學分析用電子能譜學（Electron Spectroscopy for Chemical Analysis）的簡稱。
  
• XPS能夠檢測到所有原子序數大於等於3的元素（即包括鋰及所有比鋰重的元素），而不能檢測到氫和氦。
  
• 對大多數元素而言的檢出限大約為千分之幾，在特定條件下檢出極限也有可能達到百萬分之幾，例如元素在表面高度集中或需要長時間的累積時間。
  
• XPS被廣泛套用於分析無機化合物、合金、半導體、聚合物、元素、催化劑、玻璃、陶瓷、染料、紙、墨水、木材、化妝品、牙齒、骨骼、移植物、生物材料、油脂、膠水等。
  

XPS可以用來測量：

• 表面的元素構成（通常範圍為1納米到10納米）
  
• 純淨材料的實驗式
  
• 不純淨表面的雜質的元素構成
  
• 表面每一種元素的化學態和電子態
  
• 表面元素構成的均勻性
  

進行X射線光電子能譜技術可以採用商業公司或個人製造的XPS系統，也可採用一個基於同步加速器的光源和一台特別設計的電子分析器組合而成。商業公司製造的XPS系統通常採用光束長度為20至200微米的單色鋁Kα線，或者採用10至30微米的複色鎂射線。某些經特殊設計的少數XPS系統可以用於分析高溫或低溫下的揮發性液體和氣體材料，以及在壓強大約為1托的真空下進行工作，但這類XPS系統通常都相對少見。

XPS的歷史

1887年，海因里希·魯道夫·赫茲發現了光電效應，1905年，愛因斯坦解釋了該現象，並為此獲得了1921年的諾貝爾物理學獎。兩年後的1907年，P.D. Innes用倫琴管、亥姆霍茲線圈、磁場半球（電子能量分析儀）和照像平版做實驗來記錄寬頻發射電子和速度的函式關係，他的實驗事實上記錄了人類第一條X射線光電子能譜。其他研究者如亨利·莫塞萊、羅林遜和羅賓遜等人則分別獨立進行了多項實驗，試圖研究這些寬頻所包含的細節內容。

XPS的研究由於戰爭而中止，瑞典物理學家凱·西格巴恩和他在烏普薩拉的研究小組於第二次世界大戰後，在研發XPS設備中獲得了多項重大進展，並於1954年獲得了氯化鈉的首條高能高分辨X射線光電子能譜，顯示了XPS技術的強大潛力。1967年之後的幾年間，西格巴恩就XPS技術發表了一系列學術成果，使XPS的套用被世人所公認。在與西格巴恩的合作下，美國惠普公司於1969年製造了世界上首台商業單色X射線光電子能譜儀。1981年西格巴恩獲得諾貝爾物理學獎，以表彰他將XPS發展為一個重要分析技術所作出的傑出貢獻。

XPS的物理原理

XPS的原理為利用X射線照射樣品，激發原子的內層電子及價電子，使其發射出來，激發出來的電子稱為光電子。通過測量不同能量的光電子的數目，以結合能或光電子的動能（結合能，Binding Energy(E_b)，E_b=hv(光子能量)-E_k（光電子動能）-w（功函式））為橫坐標，相對強度（counts/s）為縱坐標可做出光電子能譜圖，從而獲得試樣有關信息。因X射線光電子能譜學對化學分析極為有用，還被稱為化學分析用電子能譜學（Electron Spectroscopy for Chemical Analysis）。

XPS系統的組件

一台標準商業化的XPS系統的主要組件包括：

• X射線源（包括經過單色化和未經單色化的X射線源，通常利用鋁或鎂作為靶材）
  
• 超高真空腔室及相應的真空泵組（腔室通常用高μ材料，即磁導率較高的材料，以禁止外界磁場）
  
• 適度真空的樣品腔室
  
• 電子收集透鏡（提高電子收集率，從而提高譜圖質量）
  
• 電子能量分析儀（記錄不同能量的光電子的數目）
  
• 離子槍或團簇槍（通過離子濺射或團簇濺射去除表面污染或做深度剖析）
  
• 樣品台及其操控裝置
  

此外，部分商業化設備還可根據客戶要求加裝：

• 俄歇電子能譜（Auger Electron Spectroscopy, AES）；
  
• 拉曼光譜（Raman Spectra）；
  
• 真空斷裂台（在真空中對樣品進行解理）；
  
• 高壓反應腔室等。
  

用途和功能

XPS主要功能有三個：

• 確定樣品表面10nm厚度內的元素種類（除氫和氦）；
  
• 確定元素的相對百分比含量；
  
• 元素的化學環境（價態等）。
  

通過儀器操作及數據處理，還可獲得以下信息：

• 樣品表面的元素分布圖；
  
• 樣品表面同種元素的不同價態分布圖；
  

其中分辨素主要受X射線光斑大小限制（可達到10微米量級）。

加裝了其它設備後（如離子槍），還可以獲得：

• 元素的組成、百分比及化學環境隨深度的變化關係。
  

高級系統的功能：

• 測量元素組分在樣品表面的均勻度（line profiling，或mapping）；
  
• 通過離子束蝕刻，測量元素組分與深度的關係（depth profiling）；
  
• 通過傾斜樣品，測量元素組分與深度的關係（角分辨XPS）。
  

參見

• 紫外光電子能譜學（UltravioletPhotoelectronSpectroscopy,UPS）
  
• 光電子發射能譜學
  
• 材料分析方法列表
  

相關方法：

• UPS,紫外光電子能譜學(for gases, aka PES)
  
• PES,光電子發射能譜(for solid surfaces, aka UPS)
  
• ZEKE,零電子動能能譜學
  
• AES,俄歇電子能譜學(AES)