X射線光電子能譜分析

X射線光電子能譜(XPS)也稱為化學分析用電子能譜(ESCA),該方法是在20世紀60年代由瑞典科學家Kai Siegbahn教授發展起來的。由于在光電子能譜的理論和技術上的重大貢獻,1981年,Kai Siegbahn教授獲得了諾貝爾物理學獎。

現在,X射線光電子能譜無論在理論上河實驗技術上都已獲得了長足的發展。XPS已從剛開始主要用來對化學元素的定性分析發展為表面元素定性、半定量分析及元素化學價態分析的重要手段。XPS的研究領域也不再局限于傳統的化學分析,而擴展到現代迅猛發展的材料科學。目前,該分析方法在日常表面分析工作中的份額約50%,是一種最主要的表面分析工具。

X射線光電子能譜基于光電離作用,當一束光子輻照到樣品表面時,光子可以被樣品中某一元素的原子軌道上的電子所吸收,使得該電子脫離原子核的束縛,以一定的動能從原子內部發射出來,變成自由的光電子,而原子本身則變成一個激發態的離子。

在普通的X射線光電子能譜儀中,一般采用的MgK和AlK X射線作為激發源,光子的能量足夠促使除氫、氦以外的所有元素發生光電離作用。由此可見,XPS技術是一種可以對所有元素進行一次全分析的方法,這對于未知物的定性分析是非常有效的。經X射線輻照后,從樣品表面射出的光電子的強度是與樣品中該原子的濃度有線性關系,可以利用它進行元素的半定量分析。鑒于光電子的強度不僅與原子的濃度有關,還與光電子的平均自由程、樣品的表面粗糙度、元素所處的化學狀態、X射線源強度以及儀器的狀態有關,因此,XPS技術一般不能給出所分析元素的絕對含量,僅能提供各元素的相對含量。由于元素的靈敏度因子不僅與元素種類有關,還與元素在物質中的存在狀態、儀器的狀態有一定關系,因此不經校準測得的相對含量也會存在很大的誤差。還需指出的是,XPS是一種表面靈敏的分析方法,具有很高的表面檢測靈敏度,可以達到10-3原子單層,但對于體相檢測靈敏度僅為0.1%左右。XPS表面采樣深度為2.0～5.0 nm,他提供的僅是表面上的元素含量,與體相成分會有很大差別,而其采樣深度與材料性質、光電子的能量有關,也同樣品表面和分析器的角度有關。

X射線光電子能譜儀主要由5部分組成:激發源、樣品、電子能量分析器、檢測系統(含電子倍增器)和超高真空(UHV)系統。激發源輻照樣品,使之發射出不同能量分布的電子,然后經電子能量分析器分析,由檢測系統給出測試結果,整個系統需要一個超高真空系統。