分析测试手段—光电子能谱XPS

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。

XPS，全称为X-ray Photoelectron Spectroscopy（X射线光电子能谱），是一种使用电子谱仪测量X-射线光子辐照时样品表面所发射出的光电子和俄歇电子能量分布的方法。

XPS可用于定性分析以及半定量分析，一般从XPS图谱的峰位和峰形获得样品表面元素成分、化学态和分子结构等信息，从峰强可获得样品表面元素含量或浓度。

XPS是一种典型的表面分析手段，其根本原因在于：尽管X射线可穿透样品很深，但只有样品近表面一薄层发射出的光电子可逃逸出来。

样品的探测深度（d）由电子的逃逸深度（λ，受X射线波长和样品状态等因素影响）决定，通常，取样深度 d = 3λ。

对于金属而言λ为0.5\~3 nm；无机非金属材料为2\~4 nm；有机物和高分子为4\~10 nm。

另外，样品状态可以是粉末、块状、薄膜样品，具体如下：
1. 粉末样品：20\~30mg。

2. 块状、薄膜样品：块体/薄膜样品尺寸小于5\*5\*3mm。

以上信息仅供参考，如有需要，建议查阅XPS测定标准的专业书籍或咨询专业人士。

一、X光电子能谱分析的基本原理X光电子能谱分析的基本原理：一定能量的X光照射到样品表面，和待测物质发生作用，可以使待测物质原子中的电子脱离原子成为自由电子。

该过程可用下式表示：hn=Ek+Eb+Er （1）其中:hn：X光子的能量；Ek：光电子的能量；Eb：电子的结合能；Er：原子的反冲能量。

其中Er很小，可以忽略。

对于固体样品，计算结合能的参考点不是选真空中的静止电子，而是选用费米能级，由内层电子跃迁到费米能级消耗的能量为结合能Eb，由费米能级进入真空成为自由电子所需的能量为功函数Φ，剩余的能量成为自由电子的动能Ek，式(1)又可表示为：hn=Ek+Eb+Φ（2） Eb=hn-Ek-Φ（3）仪器材料的功函数Φ是一个定值，约为 4 eV，入射X光子能量已知，这样，如果测出电子的动能Ek，便可得到固体样品电子的结合能。

各种原子，分子的轨道电子结合能是一定的。

因此，通过对样品产生的光子能量的测定，就可以了解样品中元素的组成。

元素所处的化学环境不同，其结合能会有微小的差别，这种由化学环境不同引起的结合能的微小差别叫化学位移，由化学位移的大小可以确定元素所处的状态。

例如某元素失去电子成为离子后，其结合能会增加，如果得到电子成为负离子，则结合能会降低。

因此，利用化学位移值可以分析元素的化合价和存在形式。

二、电子能谱法的特点(1)可以分析除H和He以外的所有元素；可以直接测定来自样品单个能级光电发射电子的能量分布，且直接得到电子能级结构的信息。

(2)从能量范围看，如果把红外光谱提供的信息称之为“分子指纹”，那么电子能谱提供的信息可称作“原子指纹”。

它提供有关化学键方面的信息，即直接测量价层电子及内层电子轨道能级。

而相邻元素的同种能级的谱线相隔较远，相互干扰少，元素定性的标识性强。

(3)是一种无损分析。

(4)是一种高灵敏超微量表面分析技术，分析所需试样约10-8g即可，绝对灵敏度高达10-18g，样品分析深度约2nm。

第18章X射线光电子能谱分析18.1 引言固体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。

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。

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。

本章主要介绍X射线光电子能谱的实验方法。

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教授发展起来的。

由于在光电子能谱的理论和技术上的重大贡献，1981年，Kai Siegbahn获得了诺贝尔物理奖。

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XPS谱仪技术发展方面也取得了巨大的进展。

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；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大小, 使得XPS在微区分析上的应用得到了大幅度的加强。

图像XPS技术的发展，大大促进了XPS在新材料研究上的应用。

在谱仪的能量分析检测器方面，也从传统的单通道电子倍增器检测器发展到位置灵敏检测器和多通道检测器，使得检测灵敏度获得了大幅度的提高。

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。

全方位解析X射线光电子能谱1引言固体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。

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。

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。

本章主要介绍X射线光电子能谱的实验方法。

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教授发展起来的。

由于在光电子能谱的理论和技术上的重大贡献，1981年，Kai Siegbahn获得了诺贝尔物理奖。

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XPS谱仪技术发展方面也取得了巨大的进展。

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；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6 m 大小, 使得XPS在微区分析上的应用得到了大幅度的加强。

图像XPS技术的发展，大大促进了XPS在新材料研究上的应用。

在谱仪的能量分析检测器方面，也从传统的单通道电子倍增器检测器发展到位置灵敏检测器和多通道检测器，使得检测灵敏度获得了大幅度的提高。

xps 光谱的测试曲线和拟合曲线
XPS（X射线光电子能谱）是一种表征材料表面化学成分和化学
状态的分析技术。

在XPS测试中，会得到一条原始的光谱测试曲线，这些曲线通常包括峰和谷，代表了不同元素的光电子峰和背景信号。

而拟合曲线则是对原始曲线进行拟合处理，以便更清晰地分辨出不
同元素的峰，并计算出其相对丰度和化学状态。

在XPS测试曲线中，每个元素都会表现出特定的光电子峰，这
些峰的位置和形状可以提供关于元素种类和化学状态的信息。

拟合
曲线的目的是将原始曲线中的各种峰进行分离和拟合，从而准确地
确定各种元素的存在量和化学环境。

拟合曲线通常使用高斯-洛伦兹
混合函数来拟合原始曲线的峰，以获得更精确的峰位置和峰面积。

XPS测试曲线和拟合曲线的比较可以帮助分析人员验证拟合的
准确性，评估峰的分辨率和信噪比，并最终确定样品表面的化学成
分和状态。

通过对比原始曲线和拟合曲线，可以更好地理解样品的
化学性质，为进一步的材料表征和分析提供重要信息。

总的来说，XPS光谱的测试曲线和拟合曲线是XPS分析中的重
要数据，它们提供了关于样品表面化学成分和状态的丰富信息，对于材料科学研究和工业应用具有重要意义。

x光管能谱
x光管能谱（XPS）是一种电子材料与元器件显微分析中的先进分析技术。

它利用X射线源，通过测量样品表面发射出的光电子的能量，来推断样品中的元素组成和含量。

XPS技术具有以下优点：
1. 可以测量元素周期表上几乎所有元素，包括氢和氦。

2. 可以提供元素的化学状态和分子结构信息。

3. 测量精度高，误差通常在1%以内。

4. 可以对样品的微小区域进行分析，例如表面几个原子层。

5. 对样品的破坏性非常小，对分析有机材料和高分子材料非常有利。

XPS技术被广泛应用于化学、材料科学、生物学、医学等领域。

它可以帮助科学家们了解材料的性质、结构和组成，从而推动科学技术的发展。

X射线光电子能谱分析（XPS）注意事项
1.检测元素：3-92号元素。

2.样品要求：
样品状态：固态样品，一般可测块状、粉末及薄膜样品。

预处理尺寸要求：
a) 块状样品：面积小于5mm×8 mm，高度小于2 mm（表面要平整）；
b) 粉末样品：粒度小于200目；特殊样品除外；
c) 薄膜样品：面积小于5mm×8 mm（测试面要做好标记）。

物理及化学性质等要求：
a) 无磁性、放射性以及毒性；
b) 样品不吸水，在超高真空中及X光照射下不分解，无挥发性物质（如单质Na, K, S, P, Zn, Se, As, I, Te, Hg或者有机挥发物），避免对高真空系统造成污染；不大量放气（尤其腐蚀性气体）；若含有高挥发性分子或者coating，请务必先自行烘烤抽除；高分子样品在送样前须进行干燥处理。

3.其他注意事项：
a) 样品分析面确保不受污染，可使用异丙醇，丙酮，正己烷，或三氯甲烷溶液（均为分析纯）清洗以达到清洁要求；
b) 使用玻璃制品（如表面皿、称量瓶等）或者铝箔盛放样品，禁止直接使用塑料容器、塑料袋或纸袋，以免硅树脂或纤维污染样品表面；
c) 制备或处理样品时使用聚乙烯手套，禁止使用塑料手套和工具以免硅树脂污染样品表面。