XPS案例(仪器应用的角度)

表面分析神器丨XPS基本原理、仪器结构和使用方法、实验技术、实验实例X-射线光电子谱仪（X-ray Photoelectron Spectroscopy，简称为XPS），经常又被称为化学分析用电子谱（Electron Spectroscopy for Chemical Analysis，简称为ESCA），是一种最主要的表面分析工具。

XPS作为当代谱学领域中最活跃的分支之一，它除了可以根据测得的电子结合能确定样品的化学成份外，XPS最重要的应用在于确定元素的化合状态。

XPS可以分析导体、半导体甚至绝缘体表面的价态，这也是XPS的一大特色，是区别于其它表面分析方法的主要特点。

此外，配合离子束剥离技术和变角XPS技术，还可以进行薄膜材料的深度分析和界面分析。

基本原理XPS方法的理论基础是爱因斯坦光电定律。

用一束具有一定能量的X射线照射固体样品，入射光子与样品相互作用，光子被吸收而将其能量转移给原子的某一壳层上被束缚的电子，此时电子把所得能量的一部分用来克服结合能和功函数，余下的能量作为它的动能而发射出来，成为光电子，这个过程就是光电效应。

该过程可用公式表示：hγ=E k+E b+E r（1）hγ：X光子的能量（h为普朗克常数，γ为光的频率）；E k：光电子的能量；E b：电子的结合能；E r：原子的反冲能量。

其中E r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E b，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。

公式（1）还可表示为：E k= hγ- E b-ΦE b= hγ- E k-Φ仪器材料的功函数Φ是一个定值（谱仪的功函数），约为4eV，入射光子能量已知，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。

原子能级中电子的结合能(Binding Energy，简称为B.E.)。

XPS分析技术及其在材料微分析方面中的应用摘要：本文介绍了X 射线光电子能谱（XPS）分析技术的基本原理、技术特点、研究进展、分析仪器构成以及在材料微分析方面的实际应用。

关键词：XPS分析技术；微分析；应用1、引言：近年来，利用各种物理、化学或机械的工艺过程改变基材表面状态、化学成分、组织结构或形成特殊的表面覆层，优化材料表面，以获得原基材表面所不具备的某些性能，如高装饰性、耐腐蚀、抗高温氧化、减摩、耐磨、抗疲劳性及光、电、磁等，达到特定使用条件对产品表面性能的要求的各种表面特殊功能处理技术得到迅速发展；对表面分析技术发展提出更高要求[1]。

材料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[2]。

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[3]。

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。

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。

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[6]；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使得XPS在微区分析上的应用得到了大幅度的加强。

【干货】玩转XPS丨案例解析X射线光电子能谱（XPS）八大应用！表面分析技术 (Surface Analysis)是对材料外层(the Outer-Most Layers of Materials (<100nm))的研究的技术。

X射线光电子能谱简单介绍XPS是由瑞典Uppsala大学的K. Siegbahn及其同事历经近20年的潜心研究于60年代中期研制开发出的一种新型表面分析仪器和方法。

鉴于K. Siegbahn教授对发展XPS领域做出的重大贡献，他被授予1981年诺贝尔物理学奖。

X射线激发光电子的原理XPS现象基于爱因斯坦于1905年揭示的光电效应，爱因斯坦由于这方面的工作被授予1921年诺贝尔物理学奖；X射线是由德国物理学家伦琴（Wilhelm Conrad Röntgen，l845-1923）于1895年发现的，他由此获得了1901年首届诺贝尔物理学奖。

X射线光电子能谱（XPS ，全称为X-ray Photoelectron Spectroscopy）是一种基于光电效应的电子能谱，它是利用X射线光子激发出物质表面原子的内层电子，通过对这些电子进行能量分析而获得的一种能谱。

这种能谱最初是被用来进行化学分析，因此它还有一个名称，即化学分析电子能谱（ESCA，全称为Electron Spectroscopy for Chemical Analysis）。

XPS谱图分析中原子能级表示方法XPS谱图分析中原子能级的表示用两个数字和一个小字母表示。

例如:3d5/2（1）第一个数字3代表主量子数(n)；（2）小写字母代表角量子数;（3）右下角的分数代表内量子数jl—为角量子数，l = 0, 1, 2, 3 ……,注意：在XPS谱图中自旋－轨道偶合作用的结果，使l不等于0（非s轨道）的电子在XPS谱图上出现双峰，而S轨道上的电子没有发生能级分裂，所以在XPS 谱图中只有一个峰。

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。

XPS分峰的分析实例X射线光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectroscopy，XPS）是一种广泛应用于材料表征和化学分析的表面分析技术。

它通过测量材料表面的电子能级分布来研究材料的组成、化学状态以及电子结构。

本文将以一种常见的XPS的应用例子，解释如何进行XPS分峰分析。

假设我们需要对一种金属样品进行表面分析，需要确定该样品中不同氧化态的金属含量。

首先，我们将准备好待测的金属样品，并通过紫外光照射来清洁表面。

然后，样品将被放置在真空环境中，以防止气体干扰。

在XPS仪器中，我们将使用一束高能量的X射线照射金属样品。

金属样品与X射线交互作用会使得样品表面的电子被激发并从表面逸出。

这些逸出的电子会被聚焦的电子能量分析器接收，并测量其能量和相对强度。

通过分析电子能谱，我们可以确定逸出电子的能量与金属样品中的化学状态和元素含量有关。

在XPS电子能谱中，我们将观察到多个能量峰，每个峰代表了特定元素或化学态的电子。

为了从电子能谱中分析出不同分峰的信息，通常需要进行光谱拟合。

这个过程涉及到将实际测量到的电子能谱与模拟的峰形函数进行匹配，以确定每个分峰的能量位置和相对强度。

例如，对于我们的金属样品，可能会观察到一个主要的金属峰和一个氧化金属峰。

为了分析这两个分峰，我们将使用高斯-洛伦兹函数进行拟合，其中高斯函数用于样品的金属峰，洛伦兹函数用于氧化金属峰。

通过对实验数据进行适当的调整，我们可以确定每个分峰的中心能量和相对峰高（即峰强度）。

最后，通过分析得到的拟合结果，我们可以得出关于金属样品的重要结论。

我们可以确定金属样品中不同氧化态的金属含量，并确定样品中存在的其他元素和化学状态。

总之，XPS分峰分析是一种常见的表面分析技术，可用于确定材料的化学组成、电子结构和表面性质。

通过仪器的X射线照射和电子能谱的测量，可以分析表面材料中不同元素和化学态的含量。

通过拟合分析，可以确定每个分峰的中心能量和相对强度，进一步理解材料的性质和组成。

XPS分析的基本原理及其应用概述XPS（X-ray Photoelectron Spectroscopy）是一种常用于表面分析的技术，它可以提供关于样品表面元素组成、化学状态和物理性质的信息。

本文将介绍XPS分析的基本原理，并探讨其在材料科学、化学、生物医学等领域的应用。

XPS分析的基本原理1.XPS基本原理–XPS利用X射线照射样品表面，通过分析样品表面上逃逸的光电子的能量和强度，来获得样品的表面组成信息。

–样品上的光电子由于与X射线的相互作用而被激发，随后逸出样品表面，并进入能量分析器进行分析。

–光电子逸出时的能量与其原子的电子壳层结构和化学环境有关，从而可以获得关于元素的化学状态和表面组成的信息。

2.XPS仪器–XPS分析仪主要由X射线源、样品台、能量分析器和检测器组成。

–X射线源通常使用专门的X射线源，如铝Kα线源或镁Kα线源。

–样品台上放置待分析的样品，样品可以是固体、液体或气体。

–能量分析器通常采用柱状会聚能量分析器或球面能量分析器，用于分析逃逸光电子的能量。

–检测器用于接收和记录逃逸光电子的强度和能量信息。

XPS分析的应用领域1.材料科学–XPS分析在材料科学中的应用广泛，用于研究材料的表面组成、薄膜厚度、界面反应等。

–通过XPS分析，可以研究材料的氧化状态、表面功能化修饰以及材料与环境的相互作用。

–XPS还可以用于研究薄膜的生长动力学、晶格缺陷和电荷传输机制等方面。

2.化学–XPS分析在化学领域中的应用主要用于表面催化研究、聚合物化学和电化学等方面。

–可通过XPS分析，了解催化剂表面上的化学组成和反应活性位点。

–XPS还可以用于聚合物的表面改性、电荷传输性能研究以及电极材料的表面修饰等。

3.生物医学–XPS分析在生物医学领域中可用于研究生物材料的表面性质和相互作用。

–可通过XPS分析，了解生物界面的化学组成、分子吸附和细胞-材料相互作用等。

–XPS还可以用于研究生物材料的表面功能化修饰和药物释放性能等方面。

XPS应用实例由于电子能谱中包含着样品有关表面电子结构的重要信息，用它可直接研究表面及体相的元素组成、电子组态和分子结构。

电子能谱可进行表面元素的定性和定量分析、元素组成的选区和微区分析、元素组成的表面分布分析、原子和分子的价带结构分析，在某些情况下还可对元素的化学状态、分子结构等进行研究，是一种用途广泛的现代分析实验技术和表面分析的有力工具，广泛应用于科学研究和工程技术的诸多领域中。

下面分别举例说明XPS在材料表征和基础科学研究中的重要作用。

(1) 表面物种的表征和鉴定元素化学态分析是XPS的最主要的应用之一。

元素化学态分析的情况比较复杂，涉及到的信息比较多，有时尚需要对谱图做拟合处理。

化学位移信息对于官能团、分子化学环境和氧化态分析是非常有力的工具，XPS常被用来作氧化态的测定和价态分析以及研究成键形式和分子结构。

XPS光电子谱线的位移还可用来区别分子中非等效位置的原子。

氧缺陷在材料的催化过程中起到了非常重要的作用，但其表征通常比较困难。

一种常用的方法是采用XPS技术来检测样品中O 1s谱信号，通过XPS谱峰拟合处理手段来区分表面上各种不同的氧物种。

在CO2电催化还原材料[1]中，通过XPS谱峰拟合技术，将O 1s的XPS谱峰分解为两个组分，位于529.8 eV处的谱峰对应于晶格氧的信号，位于531.4 eV处的谱峰则被归属为邻近氧缺陷的氧原子的信号。

这样就可以通过XPS测试中的O 1s谱峰强度，来表征样品中氧缺陷的浓度，从而能够进一步研究氧缺陷与CO2还原反应活性之间的构效关系。

同样的，XPS谱峰拟合技术也可以应用于其他样品体系中，用于表征不同化学状态的表面物种。

在BiOBr材料[2]中，通过XPS谱峰拟合技术，在样品中明确分辨出处于不同化学环境中的氧物种，并且该物种在样品中的浓度可以通过XPS谱峰强度反映出来。

其中，位于530.3 eV处的谱峰归属为晶格氧的信号，位于531.9 eV处的谱峰归属为表面羟基的信号，位于531.2 eV处的谱峰归属为吸附在氧空位上的吸附氧物种信号。

XPS应用实例由于电子能谱中包含着样品有关表面电子结构的重要信息，用它可直接研究表面及体相的元素组成、电子组态和分子结构。

电子能谱可进行表面元素的定性和定量分析、元素组成的选区和微区分析、元素组成的表面分布分析、原子和分子的价带结构分析，在某些情况下还可对元素的化学状态、分子结构等进行研究，是一种用途广泛的现代分析实验技术和表面分析的有力工具，广泛应用于科学研究和工程技术的诸多领域中。

下面分别举例说明XPS在材料表征和基础科学研究中的重要作用。

(1) 表面物种的表征和鉴定元素化学态分析是XPS的最主要的应用之一。

元素化学态分析的情况比较复杂，涉及到的信息比较多，有时尚需要对谱图做拟合处理。

化学位移信息对于官能团、分子化学环境和氧化态分析是非常有力的工具，XPS常被用来作氧化态的测定和价态分析以及研究成键形式和分子结构。

XPS光电子谱线的位移还可用来区别分子中非等效位置的原子。

氧缺陷在材料的催化过程中起到了非常重要的作用，但其表征通常比较困难。

一种常用的方法是采用XPS技术来检测样品中O 1s谱信号，通过XPS谱峰拟合处理手段来区分表面上各种不同的氧物种。

在CO2电催化还原材料[1]中，通过XPS谱峰拟合技术，将O 1s的XPS谱峰分解为两个组分，位于529.8 eV处的谱峰对应于晶格氧的信号，位于531.4 eV处的谱峰则被归属为邻近氧缺陷的氧原子的信号。

这样就可以通过XPS测试中的O 1s谱峰强度，来表征样品中氧缺陷的浓度，从而能够进一步研究氧缺陷与CO2还原反应活性之间的构效关系。

同样的，XPS谱峰拟合技术也可以应用于其他样品体系中，用于表征不同化学状态的表面物种。

在BiOBr材料[2]中，通过XPS谱峰拟合技术，在样品中明确分辨出处于不同化学环境中的氧物种，并且该物种在样品中的浓度可以通过XPS谱峰强度反映出来。

其中，位于530.3 eV处的谱峰归属为晶格氧的信号，位于531.9 eV处的谱峰归属为表面羟基的信号，位于531.2 eV处的谱峰归属为吸附在氧空位上的吸附氧物种信号。

XPS测试方法的原理和应用1. 引言X射线光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectroscopy，简称XPS）是一种表面分析技术，使用X射线激发材料表面的光电子，通过测量光电子的能量和强度分布来研究物质的表面成分、化学状态和电子结构。

本文将介绍XPS测试方法的原理及其在材料科学、表面化学和催化领域的应用。

2. XPS测试方法的原理XPS测试方法基于光电效应原理，即当光子与物质表面的原子或分子相互作用时，会产生光电子。

其原理可以概括为以下几个步骤：1.X射线入射：XPS实验仪器通过X射线源产生高能量的X射线，并将其照射在待测试样品的表面。

2.光电子发射：表面原子吸收入射X射线的能量，使得部分电子跃迁到空位，产生光电子。

光电子的能量由入射X射线的能量和表面原子的能级结构决定。

3.光电子能量分析：XPS实验仪器采用光谱仪对发射的光电子进行能量分析，并记录光电子能谱图。

根据光电子的能量，可以确定原子或分子的化学状态和元素的相对含量。

4.数据处理和解读：通过对光电子能谱的数据进行处理和解读，可以获得样品的表面元素组成、电子能级结构和化学状态等信息。

3. XPS测试方法的应用3.1 表面成分分析XPS可以精确地确定样品表面的元素组成和相对含量。

通过准确计算每个元素峰的积分强度，可以计算出不同元素的表面含量百分比。

这对于研究材料的组成和纯度非常重要。

3.2 化学状态研究XPS能够提供元素的化学状态信息。

通过计算光电子峰的位置和形状，可以确定元素的化学键合状态。

这有助于研究材料的表面化学反应、氧化状态变化等。

3.3 电子能级结构研究XPS可以直接测量样品表面的能带结构和能级分布。

通过分析光电子的能级位置和强度，可以研究材料的能带宽度、能带的形状以及带间跃迁等电子结构相关的性质。

3.4 催化反应研究XPS可以用于研究催化材料表面的结构和化学反应。

通过监测催化材料在反应条件下的表面成分和化学态变化，可以揭示催化反应的机理和活性位点。

XPS在材料研究中的应用摘要本文总结了X射线光电子能谱（XPS）的分析原理、研究进展，并介绍了几种XPS在材料研究中的应用分析实例。

关键词XPS，材料，分析1 前言XPS的起源最早可追溯到人们对光电子的研究。

1954年,以瑞典Uppsala大学k.Siegbahn 教授为首的研究中心首次准确测定光电子的动能，不久观测到了元素的化学位移。

由于XPS 能够根据元素的化学位移分析出材料的化学状态，曾被命名为化学分析用电子能谱，即ESCA（ElectronSpectroscopy for Chemical Analysis）。

20世纪70年代末，XPS开始涉足有机物、高分子材料及木质材料领域，80年代末，XPS 的灵敏度及分辨率有了显著提高，现代XPS 正在向着单色、小面积、成像三方向发展。

XPS 以其灵敏度高、破坏性小、制样简单的优点及定性强、能够分析材料表面元素组成及元素化学价态的特点而成为木质材料研究领域中一项重要分析手段。

XPS 基本原理是利用X 射线辐照样品，在样品表面发生光电效应，产生光电子，如图1。

通过对出射光电子能量分布分析，得到电子结合能的分布信息，进而实现对表面元素组成及价态分析。

XPS采样深度与光电子的能量和材料性质有关，在深度为光电子的平均自由程λ 的3 倍处，达到最佳，对金属约为0.5～2 nm；无机物1～3 nm；有机物1～10 nm。

运用XPS 可对木质材料进行定性及定量分析。

图1 X 射线光电子能谱的光电效应原理图图2 XPS 实验装置示意图（a）和光电子能级图（b）2 XPS在材料研究中应用实例X射线光电子能谱XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy)也被称作化学分析用电子能谱ESCA(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis)，其基本原理在单色（或准单色）X 射线照射下，测量材料表面所发射的光电子能谱来获取表面化学成分、化学态、分子结构等方面的信息。

XPS分析技术及其在材料微分析方面中的应用摘要：本文介绍了X 射线光电子能谱（XPS）分析技术的基本原理、技术特点、研究进展、分析仪器构成以及在材料微分析方面的实际应用。

关键词：XPS分析技术；微分析；应用1、引言：近年来，利用各种物理、化学或机械的工艺过程改变基材表面状态、化学成分、组织结构或形成特殊的表面覆层，优化材料表面，以获得原基材表面所不具备的某些性能，如高装饰性、耐腐蚀、抗高温氧化、减摩、耐磨、抗疲劳性及光、电、磁等，达到特定使用条件对产品表面性能的要求的各种表面特殊功能处理技术得到迅速发展；对表面分析技术发展提出更高要求[1]。

材料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[2]。

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[3]。

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。

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。

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[6]；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- 1 -的束斑直径已能达到6μm使得XPS在微区分析上的应用得到了大幅度的加强。