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X射線光電子能譜技術的原理和應用
閱讀：742 發布時間：2023-2-15
X射線光電子能譜儀（X-ray PhotoelectronSpectroscopy, 縮寫XPS），它是利用X射線激發樣品表面元素的內層能級電子信號，再用電子能譜儀檢測光電子的動能及強度，進而確定元素的種類及價態等信息。
X射線光電子能譜儀一般由X射線源、電子能量分析器、電子探測器和數據系統，以及其他附件構成。除了數據系統外，其他部件都要在超高真空下(10-8~10-10torr)運行。原因在于，在超高真空下光電子可以避免與殘余氣體分子發生碰撞損失，另一方面樣品表面也可以避免吸附殘余氣體分子而影響樣品結果。X光源激發到樣品上，樣品表面的電子被激發出來，經過傳輸透鏡。此后通過電子能量分析器對光電子的動能進行分辨，再通過電子探測器對電子進行計數。最后到達數據系統進行分析，就可以呈現出最終的X射線光電子能譜。
XPS技術具有靈敏度高、分辨率高、元素分析全（除H和He）、為非破壞性分析、深度剖析、小于10 nm薄膜分析（角分辨）、元素化學態分布（XPS成像技術）等特點。
1、可定性分析
根據所測得譜的位置和形狀來得到有關樣品的組分、化學態、表面吸附、表面價電子結構、原子和分子的化學結構、化學鍵合情況等信息。
2、可定量分析
以能譜中各峰強度的比值為基礎進行分析，把所測到的信號強度轉變成元素的含量，即將譜峰面積轉變成相應元素的含量。
3、可深度剖析
由于樣品本身的層狀結構如氧化、鈍化等原因導致樣品在深度方向上化學狀態的不同。通過利用氬離子槍對樣品表面進行氬離子濺射剝離，控制合適的濺射強度及濺射時間，將樣品表面刻蝕一定深度，然后進行取譜分析。
4、可角分辨電子能譜分析
改變樣品表面與入射光束間的角度，即可改變入射光的檢測深度，使得檢測深度變淺，這樣來自最表層的光電子信號相對較深層的會大大增強。利用這一特性，可以對超薄樣品膜表面的化學信息進行有效地檢測，從而研究超薄樣品化學成分的縱向分布。
X射線光電子能譜儀一般由X射線源、電子能量分析器、電子探測器和數據系統，以及其他附件構成。除了數據系統外，其他部件都要在超高真空下(10-8~10-10torr)運行。原因在于，在超高真空下光電子可以避免與殘余氣體分子發生碰撞損失，另一方面樣品表面也可以避免吸附殘余氣體分子而影響樣品結果。X光源激發到樣品上，樣品表面的電子被激發出來，經過傳輸透鏡。此后通過電子能量分析器對光電子的動能進行分辨，再通過電子探測器對電子進行計數。最后到達數據系統進行分析，就可以呈現出最終的X射線光電子能譜。
根據所測得譜的位置和形狀來得到有關樣品的組分、化學態、表面吸附、表面價電子結構、原子和分子的化學結構、化學鍵合情況等信息。
以能譜中各峰強度的比值為基礎進行分析，把所測到的信號強度轉變成元素的含量，即將譜峰面積轉變成相應元素的含量。
由于樣品本身的層狀結構如氧化、鈍化等原因導致樣品在深度方向上化學狀態的不同。通過利用氬離子槍對樣品表面進行氬離子濺射剝離，控制合適的濺射強度及濺射時間，將樣品表面刻蝕一定深度，然后進行取譜分析。
改變樣品表面與入射光束間的角度，即可改變入射光的檢測深度，使得檢測深度變淺，這樣來自最表層的光電子信號相對較深層的會大大增強。利用這一特性，可以對超薄樣品膜表面的化學信息進行有效地檢測，從而研究超薄樣品化學成分的縱向分布。