X射线光电子能谱(XPS)

什么是X射线光电子能谱(XPS)？

随着对高性能材料需求的不断增长，表面工程也显得越来越重要。材料的表面是材料与外部环境以及与其它材料相互作用的位置，因此只有了解材料层表面处或界面处的物理和化学相互作用，才能解决许多与现代材料相关的问题。表面将影响材料的诸多方面，如腐蚀速率、催化活性、粘合性、表面润湿性、接触势垒和失效机理。

表面改性可改变或改进材料性能和特性，因此需要使用表面分析来了解材料的表面化学和研究表面工程的效果。从不粘锅涂层到薄膜电子学和生物活性表面，X射线光电子能谱(XPS)成为表面材料表征的标准工具之一。

X射线光电子能谱(XPS)，也被称为化学分析电子能谱 (ESCA)，是分析材料表面化学性质的一项技术。X射线光电子能谱(XPS)可测量材料中元素组成、经验公式、元素化学价态和电子态。用一束X射线激发固体表面，同时测量被分析材料表面1-10nm内发射出电子的动能，而得到XPS谱。通过对激发出的超过一定动能的电子进行计数，可以得到光电子谱。光电子谱中出现的谱峰为原子中发射的一定特征能量电子。光电子谱峰的能量和强度可用于定性和定量分析所有表面元素（氢元素除外）。

表面表征

表面层指不大于3个原子层厚度 (~1 nm)的薄层，根据不同材料，表面层厚度不同。不超过约10nm的薄层被称为超薄膜，而不超过1μm的薄层为薄膜。剩下的固体则被称为体相材料。但是名词术语并没有明确定义，随不同材料和应用，表面层、超薄膜和薄膜之间的差异有所变化。

表面表示一种相与另一种相之间的不连续性，所以表面的物理化学性质与体相物质不同。这种差异在很大程度上影响材料最顶部原子层。在材料内部，一个原子在各方向上均被组成该材料的原子按一定规则包围。由于表面原子并不能在所有方向上被原子包围，表面原子比体内原子活泼，有可能成键。

表面特性

材料的性能和改性处理随深度或厚度而变化，这一点对于特定性能和改性处理十分重要。表面分析能帮助理解下列这些领域：

• 半导体、微电子学

• 微电路

• 超薄膜

• 线路板软焊

• 清洁处理

• 薄膜稳定

• 钝化层

• 润滑

• 化工

• 塑料、涂层

• 催化剂

• 纤维

• 金属、钢铁工业

• 氮化、碳化

• 腐蚀

• 焊接

• 材料老化

• 晶界分凝

• 玻璃

• 涂层

• 发动机、航空电子设备

• 润滑

• 腐蚀

• 氧化

• 材料老化、失效

• 合成纤维

• 粘合剂

在一些技术领域中，表面和表面分析较为重要，包括：

光电发射过程

原子或分子在吸收X射线光子时，会激发出电子。电子的动能(KE)依赖于光子能量(hν)和电子的结合能(BE)（即电子离开表面所需能量）。

XPS 表面分析中的光电发射过程。 圆点代表电子，实线代表被分析材料中的能级。 该过程的表达式为： KE = hν - BE

光电子能谱技术

氧化钡全谱，图中出现了钡和氧的多个峰以及一个碳峰。

聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 旋涂和切片的 C 1s XPS 谱。 碳有 3 个不同的化学态。 内插图中给出了 PET 结构。 （谱图由英国 Daresbury RUSTI 的 G Beamson 博士提供）。