X射線光電子能譜儀的開放使用與維護*

張國宏， 熊祖釗， 王飛舟

(武漢科技大學分析測試中心，湖北 武漢 430081)

X射線光電子能譜儀(簡稱為XPS)可提供材料表面幾個原子層的元素定性、半定量分析及其化學狀態信息，可以分析除氫、氦以外的所有元素，包括元素種類及價態。因此，XPS已被廣泛應用于研究金屬、無機化合物、有機化合物、聚合物、催化劑、涂層材料、納米材料、礦石等各種材料以及腐蝕、摩擦、潤滑、燃燒、粘接、催化、包覆、氧化等過程，是研究材料表面性質所不可缺少的重要工具[1-3]。

武漢科技大學分析測試中心擁有一臺日本島津公司生產的型號為AXIS SUPRA+的X射線光電子能譜儀。隨著校內科研隊伍的迅猛發展，校外高校及企業測試需求的增加，測試量明顯增大，如何提高儀器使用率，達到儀器資源共享，更好地服務廣大科研工作者，是儀器管理者目前亟待解決的問題[4-5]。作者根據近年對XPS的管理經驗，就XPS在開放使用及日常維護方面進行總結和探討。

1 X射線光電子能譜儀開放使用

1.1 X射線光電子能譜儀管理現狀

XPS是當前材料表面分析的重要工具，具有靈敏度高、破壞性小等特點。XPS 譜圖不僅可提供材料表面元素組成信息，還能提供元素的化學狀態信息。另外，因為入射到樣品表面的X 射線是一種光子束，對樣品的破壞性非常小。基于以上，XPS 在科學研究中的實際應用范圍越來越廣泛。XPS目前在我校材料與冶金學院、化學與化工學院、資源與環境工程學院、機械自動化學院、理學院、信息科學與工程學院等相關專業的教學與科研中都有非常廣泛的應用。隨著學校研究生招生規模的不斷擴大，XPS的使用也愈加繁忙，之前由專門儀器管理人員對所有樣品進行測試的方式已經滿足不了實際應用需求。如何緩解XPS的使用壓力，提高它的使用效率成為儀器管理人員必須面對的課題。

另一方面，XPS單價在500萬元人民幣左右，屬于大型貴重儀器，具有價格昂貴、結構精密和操作復雜等特點，對操作者具有很高的技術要求，很小的誤操作也可能導致儀器發生故障。如果盲目的開放，不對使用者進行嚴格培訓和管理，會造成儀器損壞、老化加快、故障率增多等，實際上降低儀器有效使用率。

1.2 X射線光電子能譜儀分層次開放使用模式

針對分析測試中心測試樣品多、任務重的現狀，為最大程度滿足校內師生XPS測試需求，同時保證儀器設備始終處于良好的使用狀態。我們將嚴格的培訓、嚴謹的技術管理和開放使用相結合，探索對XPS實行分層次開放使用模式(如圖1所示)，根據用戶測試需求的不同來劃分其開放測試的政策。

圖1 分層次開放流程圖

1.2.1 初級用戶

我們每學期都會面向所有有XPS測試需求的研究生、博士后和青年老師進行一次理論培訓，介紹XPS的測試原理、基本功能、制樣要求、數據處理軟件的基本操作等，重點解決“XPS能做什么” “如何準備樣品”“如何獲得好的結果” “如何進行數據處理”等實際問題，培訓合格后成為初級用戶。初級用戶可以通過分析測試中心預約系統預約測試機時，在預約時間內將樣品送到實驗室，由專職的XPS管理老師負責測試，老師測試完畢后會將測試結果發送給用戶。初級用戶僅能送樣測試，不能上機操作。

初級用戶在送樣時要注意寫明分析測試的要求，如定性(元素種類，元素價態等)，定量(樣品中元素相對百分含量)等。如果樣品有易磁化，易變性(如被氧化，吸附等)等情況應說明清楚。對薄膜、片狀、塊體樣品要標記出測試面，標記時不能使用墨水筆，以免墨水中的有機試劑污染待測樣品表面。粉末樣品必須研磨均勻，顆粒越細越好。易被氧化或易吸水樣品，在送樣過程中應注意隔離空氣。

1.2.2 中級用戶

有些課題組測試量較大，光靠儀器管理老師無法及時完成測試任務。針對每月有10 次以上測試量的課題組，由課題組推薦一名有責任心、有耐心且動手能力強的研究生進行上機操作等深入培訓，培訓內容包括制樣方法、常規XPS測試操作、數據處理軟件使用、儀器使用安全注意事項和實驗室的安全衛生制度等。經過系統培訓，考核合格，可熟練操作儀器進行基礎測試的研究生成為中級用戶。中心將給中級用戶頒發XPS自主上機操作資格證。中級用戶可以在工作日(包括晚上)自主操作儀器進行常規XPS測試。中級用戶除了測試自己的樣品外，還需要幫助課題組其他同學進行測試。除了研究生以外，所有的博士后和青年教師都可以申請參加培訓成為中級用戶。為了保證設備安全，要求中級用戶每月至少要進行一次上機操作，連續三個月未進行上機操作的中級用戶將被取消自主上機操作資格。

1.2.3 高級用戶

無過錯使用儀器達一年以上的中級用戶可申請進行高級應用培訓，目的是服務高級應用。高級應用培訓內容包括變角XPS、深度剖析、紫外光電子能譜等的操作以及XPS運行日志的記錄、常見儀器故障的簡單分析及日常維護等，以使高級用戶能夠完全獨立操作XPS。中心將給考核合格的高級用戶頒發XPS高級應用上機操作資格證。高級用戶可以在任意機時段(含節假日)自主上機操作儀器進行測試。高級用戶每月至少要進行一次上機操作，一個月未進行上機操作的高級用戶將被取消自主上機操作資格。高級用戶主要針對校內青年教師、博士后和博士研究生進行選拔。

這種分層次開放使用模式將嚴格培訓考核和分權限開放使用相結合，不僅培養了人才，還可使XPS的開放測試由原來的工作日擴展到晚上、周末及節假日，最大限度滿足了用戶測試需求。

2 X射線光電子能譜儀的維護

良好的儀器狀態是獲得精確測試數據的前提和保證，因此作為一名測試技術人員，有必要對儀器進行定期維護。正確的使用和良好的維護不僅可以確保儀器始終保持良好的運行狀態，還可以延長儀器使用壽命，節約維修費用[5]。

2.1 日常維護

維持良好的實驗室環境，每周吸塵、拖地、擦拭儀器表面和實驗臺，控制實驗室溫度在17～25 ℃，濕度<65%，在實驗室門口增加吸塵紙，進入實驗室穿鞋套。

每天早晨對設備進行點檢，記錄高純氮氣、普通氮氣(有的使用壓縮空氣)壓力以及測樣室和進樣室的真空，關注空調、水冷機等是否正常工作。

定期對儀器進行校準。包括結合能標的校準、強度標重復性和線性、荷電校正等[6]。

2.2 真空系統的維護

XPS是一種表面分析儀器，要求在超高真空(通常為1×10-7Pa)條件下進行測試，因此，超高真空系統的保持和維護非常重要。

首先要確保樣品的干凈，具有放射性的樣品、具有強磁性的樣品、在X光照射下會分解的樣品、在制樣過程中容易快速潮解的樣品、真空條件下可以釋放大量氣體的樣品(尤其釋放出的氣體對不銹鋼具有腐蝕性的樣品)、具有化學毒性和生物毒性的樣品都不得測試。樣品中不得含有乙酸乙酯、氯仿、二氯甲烷、苯、環己烷等有機試劑, 待測試的樣品表面不能被沾污(如手摸拿，碰觸污染物等)。最好用帶蓋的玻璃小試管、小容量瓶等容器裝樣，也可以使用干凈的鋁箔直接包裹樣品后放入干凈的玻璃器皿中送樣。不要直接使用塑料容器、塑料袋、含硅的膠帶或膠面和紙袋，以免硅樹脂或纖維污染樣品表面。

其次，所有樣品在送樣之前必須提前進行真空干燥或者冷凍干燥，送入進樣室后要充分抽氣。我們通常都是在下午下班前將第二天要測試的樣品送入進樣室抽真空，第二天上班的時候再進行測試。如果經過一夜抽真空后依然無法抽至5×10-6Pa以下，該樣品的測試應該被取消。

最后，盡量減少換樣時間。可以訂制一些70 mm×30 mm×1 mm的銅片，提前將需要測試的樣品用雙面膠粘在銅片上，換樣時直接用導電膠將銅片粘在樣品臺上，既減少了換樣間隔時間，也可以保護樣品臺。平時還要保持進樣室門的清潔，定期運行鈦升華泵以吸附影響真空的反應氣體。每年請工程師對機械泵進行耗材更換和保養。

2.3 循環水系統的維護

循環水的作用是將系統內部包括分子泵、X射線源、晶體、磁透鏡的熱量散發出去[5]。注意關注冷卻水的漏電流和電導率，漏電流高于10 mA或電導率大于1 μs/cm則需要更換循環水，循環水不能使用自來水，建議使用實驗室純水機制的去離子水或購買蒸餾水。如果更換循環水后，電導率還偏大時，要更換濾芯和水冷機后的去離子樹脂。水冷機的濾網要經常清洗。

2.4 氣路系統的維護

XPS氣路系統包括普氮(或壓縮空氣)、高純氮、氬氣和氦氣。氬氣用于Ar離子槍刻蝕，氦氣用于紫外光電子能譜測試，高純氮氣用于開進樣室倉門，普氮是驅動所有氣動閥門的動力，需維持0.4 MPa以上，壓力太小，進樣室和測樣室之間的門無法正常開啟。當普氮壓力較低時，儀器將自動進入保護狀態，這時需要及時更換普氮鋼瓶。氬氣和氦氣不經常用，平時可將總閥關閉，使用時再打開。使用氬氣和氦氣時，要先清洗氣路。

3 結 論

X射線光電子能譜儀是高校分析測試中心必備儀器之一，樣品測試任務重。為了提高儀器使用效益，很好的完成測試任務，我們嘗試對XPS實行分層次開放使用模式，收到了良好的效果。另外，測試技術人員需要對儀器真空系統、循環水系統、氣路系統進行定期維護，確保儀器始終保持良好的運行狀態。