X射線(xiàn)光電子能譜分析

X射線(xiàn)光電子能譜分析
X射線(xiàn)光電子能譜法（X-ray Photoelectron Spectrom-----XPS）在表面分析領(lǐng)域中是一種嶄新的方法。雖然用X射線(xiàn)照射固體材料并測量由此引起的電子動(dòng)能的分布早在本世紀初就有報道，但當時(shí)可達到的分辯率還不足以觀(guān)測到光電子能譜上的實(shí)際光峰。直到1958年，以Siegbahn為首的一個(gè)瑞典研究小組首次觀(guān)測到光峰現象，并發(fā)現此方法可以用來(lái)研究元素的種類(lèi)及其化學(xué)狀態(tài)，故而取名“化學(xué)分析光電子能譜（Eletron Spectroscopy for Chemical Analysis-ESCA）。目前XPS和ESCA已公認為是同義詞而不再加以區別。
XPS的主要特點(diǎn)是它能在不太高的真空度下進(jìn)行表面分析研究，這是其它方法都做不到的。當用電子束激發(fā)時(shí)，如用AES法，必須使用超高真空，以防止樣品上形成碳的沉積物而掩蓋被測表面。X射線(xiàn)比較柔和的特性使我們有可能在中等真空程度下對表面觀(guān)察若干小時(shí)而不會(huì )影響測試結果。此外，化學(xué)位移效應也是XPS法不同于其它方法的另一特點(diǎn)，即采用直觀(guān)的化學(xué)認識即可解釋XPS中的化學(xué)位移，相比之下，在A(yíng)ES中解釋起來(lái)就困難的多。

1 基本原理
用X射線(xiàn)照射固體時(shí)，由于光電效應，原子的某一能級的電子被擊出物體之外，此電子稱(chēng)為光電子。
如果X射線(xiàn)光子的能量為hν，電子在該能級上的結合能為Eb，射出固體后的動(dòng)能為Ec，則它們之間的關(guān)系為： hν=Eb+Ec+Ws 式中Ws為功函數，它表示固體中的束縛電子除克服各別原子核對它的吸引外，還必須克服整個(gè)晶體對它的吸引才能逸出樣品表面，即電子逸出表面所做的功。上式可另表示為： Eb＝hν-Ec-Ws 可見(jiàn)，當入射X射線(xiàn)能量一定后，若測出功函數和電子的動(dòng)能，即可求出電子的結合能。由于只有表面處的光電子才能從固體中逸出，因而測得的電子結合能必然反應了表面化學(xué)成份的情況。這正是光電子能譜儀的基本測試原理。

2 儀器組成
XPS是精確測量物質(zhì)受X射線(xiàn)激發(fā)產(chǎn)生光電子能量分布的儀器，其基本組成如圖所示。

與AES相似，XPS也具有真空系統、離子槍、進(jìn)樣系統、能量分析器以及探測器等部件。XPS中的射線(xiàn)源通常采用AlKα（1486.6eV ）和MgKα（1253.8eV），它們具有強度高，自然寬度?。ǚ謩e為830meV和680meV）。CrKα和CuKα輻射雖然能量更高，但由于其自然寬度大于2eV，不能用于高分辯率的觀(guān)測。為了獲得更高的觀(guān)測精度，還使用了晶體單色器（利用其對固定波長(cháng)的色散效果），但這將使X射線(xiàn)的強度由此降低。
由X射線(xiàn)從樣品中激發(fā)出的光電子，經(jīng)電子能量分析器，按電子的能量展譜，再進(jìn)入電子探測器，最后用X Y記錄儀記錄光電子能譜。在光電子能譜儀上測得的是電子的動(dòng)能，為了求得電子在原子內的結合能，還必須知道功函數Ws。它不僅與物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，還與儀器有關(guān)，可以用標準樣品對儀器進(jìn)行標定，求出功函數。
3 應用簡(jiǎn)介
XPS電子能譜曲線(xiàn)的橫坐標是電子結合能，縱坐標是光電子的測量強度（如下圖所示）?？梢愿鶕PS電子結合能標準手冊對被分析元素進(jìn)行鑒定。

XPS是當代譜學(xué)領(lǐng)域中最活躍的分支之一，雖然只有十幾年的歷史，但其發(fā)展速度很快，在電子工業(yè)、化學(xué)化工、能源、冶金、生物醫學(xué)和環(huán)境中得到了廣泛應用。除了可以根據測得的電子結合能確定樣品的化學(xué)成份外，XPS最重要的應用在于確定元素的化合狀態(tài)。
當元素處于化合物狀態(tài)時(shí)，與純元素相比，電子的結合能有一些小的變化，稱(chēng)為化學(xué)位移，表現在電子能譜曲線(xiàn)上就是譜峰發(fā)生少量平移。測量化學(xué)位移，可以了解原子的狀態(tài)和化學(xué)鍵的情況。
例如Al2O3中的3價(jià)鋁與純鋁（0價(jià)）的電子結合能存在大約3電子伏特的化學(xué)位移，而氧化銅(CuO)與氧化亞銅(Cu2O)存在大約1.6電子伏特的化學(xué)位移。這樣就可以通過(guò)化學(xué)位移的測量確定元素的化合狀態(tài)，從而更好地研究表面成份的變化情況。