x射线能谱仪原理

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源-于-网-络-收-集 X射线光电子能谱的原理及应用（XPS）

（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 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(103)又可表示为： hn=Ek+Eb+Φ （10.4）Eb= hn- Ek-Φ （10.5）

仪器材料的功函数Φ是一个定值，约为4eV，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。

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X 射线能谱仪工作原理及谱图分析

1、X 射线能谱仪剖析原理

X 射线能谱仪作为扫描电镜的一个重要附件，可被当作是扫描电镜 X 射线

信号检测器。 其主要对扫描电镜的微区成分进行定性、 定量剖析， 能够剖析元素

周期表中从 B-U 的全部元素信息。其原理为：扫描电镜电子枪发出的高能电子

进入样品后， 遇到样品原子的非弹性散射， 将能量传达给该原子。 该原子内壳层

的电子被电离并离开，内壳层上出现一个空位，原子处于不稳固的高能激发态。

在激发后的 10-12s 内原子便恢复到最低能量的基态。在这个过程中，一系列外层

电子向内壳层的空位跃迁，同时产生 X 射线，开释出剩余的能量。对任一原子

而言，各个能级之间的能量差都是确立的，所以各样原子受激发而产生的 X 射

线的能量也都是确立的（图 1）。

X 射线能谱仪采集 X 射线，并依据其能量对其记数、分类，进而对元素进

行定性、定量剖析。

图 1. 粒子间互相作用产生特点 X 射线

本所能谱仪型号为： BRUKER X-Flash 5010，有四种检测模式：点扫描，地区扫描，线扫描，面扫描。

2、能谱仪检测模式介绍及参数解读

2.1 点扫描及地区扫描模式 (完整word版)X射线能谱仪工作原理及谱图解析1X射线能谱仪分析原理X射线能谱 2 / 6

图 2 X 射线能谱仪点扫描（ A ）、选区扫描（ B ）报告

点扫描与选区扫描主要用于对元素进行定性和定量剖析， 确立选定的点或区

域范围内存在的全部元素种类， 并对各样元素的相对含量进行计算。 能谱检测对

倍数要求不高，不一样倍数条件下检测结果差异不大，重点在于选用检测的部位。

一般选择较大的块体在 5000倍以下检测，因为 X射线出射深度较深，除金属或陶

X-射线光电子能谱仪的分析应用

一、工作原理：X-Ray样品电离出光电子能量分析器光电子长生过程

记录不同能量的电子数量检测器

e-

hv（X-ray）

A（中性分子或原子）+hv（X-ray）

A+(激发态离子)+e-（光电子）二、主要用途：

1.固体样品的表面组成分析，化学状态分析，取样深度为～3nm

2.元素成分的深度分析（角分辨方式和氩离子刻蚀方式）

3.可进行样品的原位处理

AES： 1.可进行样品表面的微区选点分析（包括点分析，线分析和面分

析）

2.可进行深度分析适合： 纳米薄膜材料，微电子材料，催化剂，摩擦化

学，高分子材料的表面和界面研究 三、主要研究领域：

（1）TiO2纳米光催化以及在空气和水净化方面的应用；

（2）汽车尾气净化催化剂新型金属载体的研究；

（3）纳米药物载体及靶向药物的研究；

（4）纳米导电陶瓷薄膜材料的研究；

（5）纳米杂化超硬薄膜材料及摩擦化学的研究；

（6）纳米发光材料及纳米分析化学研究；

（7）有机电致发光材料的表面化学研究；

（8）纳米材料在香烟减毒净化上的应用研究；（9）无机纳米杀菌与抗菌材料及其在饮用水净化上的作用；

（10）电解水制氧电极材料的研究四、XPS分析特点：

• 可以分析除H和He以外的所有元素。

• 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。

• 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。化学位移信息是利用XPS进行原子结构分析和化学键研究的基

础。

• 可作定量分析，即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。

• 是一种高灵敏超微量表面分析技术，样品分析的深度约为20Å，信

号来自表面几个原子层，样品量可少至10-8g，绝对灵敏度高达10-

18g。

五、XPS谱图的解释步骤：

（1）在XPS谱图中首先鉴别出C1s、O1s、C(KLL) 和O(KLL)的谱峰

（通常比较明显）。

（2）鉴别各种伴线所引起的伴峰。

（3）先确定最强或较强的光电子峰（或俄歇电子峰），再鉴定弱的

X射线能谱仪（EDAX Genesis）操作规程

开机

1. 检查真空、循环水状态，启动电镜设备。

2. 启动能谱设备。

样品放臵、撤出、交换

1. 严格按照高度规定高样品台，制样，固定。

2. 按交换舱上“Air”键放气，蜂鸣器响后将样品台放入，旋转样品杆至“Lock”位，合上交换舱，按“Evac”键抽气，蜂鸣器响后按“Open”键打开样品舱门，推入样品台，旋转样品杆至“Unlock”位后抽出，按“Close”键。

观察与测试分析

1. 根据样品特性与测试要求，在电镜操作面板上选择合适的加速电压与束流，按“On”键加高压。

2. 用滚轮将样品台定位至观察点，拧Z轴旋钮（3轴马达台）。

3. 选择合适的放大倍数，点击“Align”键，调节旋钮盘，逐步调整电子束位臵、物镜光阑对中、消像散基准。

4. 在“TV”或“Fast”扫描模式下定位观察区域，在“Red”扫描模式下聚焦、消像散，在“Slow”或“Fast”扫描模式下拍照。

5. 选择合适的区域，在能谱分析程序EDAX Genesis中，设臵电压参数，选择Collect采集谱图，按“Peak ID”识别元素。按“HPD”查看拟合。按“Bkg”背底识别。按“Ｑuant”进行定性，半定量分析。按“Save”存储数据和谱图。

6. 通过光盘导出能谱数据。

关机

1. 退出能谱程序，关闭能谱计算机。

2. 将样品台高度调回80mm。

3. 按“Home”键使样品台回到初始状态。

4. “Home”指示灯停止闪烁后，撤出样品台，合上样品舱。

5. 退出电镜程序，关闭“Display”电源。

注意

1. 每天第一次加高压后，做一次Flashing。

2. 铁磁性块体及粉末样品禁止直接进行能谱测试分析，会导致仪器严重损坏。

3. 每半个月旋开空压机底阀放水一次。

4．要检查开机时，能谱探头制冷杜瓦瓶内都要有足够液氮存留。每周需补充液氮。