光电子能谱 X射线光电子能谱(XPS)谱图分析|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

X射线光电子能谱(XPS)谱图分析

一、X光电子能谱分析的基本原理

X光电子能谱分析的基本原理：一定能量的X光照射到样品表面，和待测物质发生作用，可以使待测物质原子中的电子脱离原子成为自由电子。该过程可用下式表示：　

hn=Ek+Eb+Er （1）

其中:hn：X光子的能量；Ek：光电子的能量；Eb：电子的结合能；Er：原子的反冲能量。其中Er很小，可以忽略。

对于固体样品，计算结合能的参考点不是选真空中的静止电子，而是选用费米能级，由内层电子跃迁到费米能级消耗的能量为结合能Eb，由费米能级进入真空成为自由电子所需的能量为功函数Φ，剩余的能量成为自由电子的动能Ek，式(1)又可表示为：

hn=Ek+Eb+Φ （2）

Eb=hn-Ek-Φ （3）　　

仪器材料的功函数Φ是一个定值，约为 4 eV，入射X光子能量已知，这样，如果测出电子的动能Ek，便可得到固体样品电子的结合能。各种原子，分子的轨道电子结合能是一定的。因此，通过对样品产生的光子能量的测定，就可以了解样品中元素的组成。元素所处的化学环境不同，其结合能会有微小的差别，这种由化学环境不同引起的结合能的微小差别叫化学位移，由化学位移的大小可以确定元素所处的状态。例如某元素失去电子成为离子后，其结合能会增加，如果得到电子成为负离子，则结合能会降低。因此，利用化学位移值可以分析元素的化合价和存在形式。

二、电子能谱法的特点

(1)可以分析除H和He以外的所有元素；可以直接测定来自样品单个能级光电发射电子的能量分布，且直接得到电子能级结构的信息。

(2)从能量范围看，如果把红外光谱提供的信息称之为“分子指纹”，那么电子能谱提供的信息可称作“原子指纹”。它提供有关化学键方面的信息，即直接测量价层电子及内层电子轨道能级。而相邻元素的同种能级的谱线相隔较远，相互干扰少，元素定性的标识性强。

(3)是一种无损分析。

(4)是一种高灵敏超微量表面分析技术，分析所需试样约10-8g即可，绝对灵敏度高达10-18g，样品分析深度约2nm。

三、X射线光电子能谱法的应用

(1)元素定性分析

各种元素都有它的特征的电子结合能，因此在能谱图中就出现特征谱线，可以根据这些谱线在能谱图中的位置来鉴定周期表中除H和He以外的所有元素。通过对样品进行全扫描，在一次测定中就可以检出全部或大部分元素。

(2)元素定量分折

X射线光电子能谱定量分析的依据是光电子谱线的强度(光电子蜂的面积)反映了原于的含量或相对浓度。在实际分析中，采用与标准样品相比较的方法来对元素进行定量分析，其分析精度达1％～2％。

(3)固体表面分析

固体表面是指最外层的1～10个原子层，其厚度大概是(0.1~1)nm。人们早已认识到在固体表面存在有一个与团体内部的组成和性质不同的相。表面研究包括分析表面的元素组成和化学组成，原子价态，表面能态分布。测定表面原子的电子云分布和能级结构等。X射线光电子能谱是最常用的工具。在表面吸附、催化、金属的氧化和腐蚀、半导体、电极钝化、薄膜材料等方面都有应用。

(4)化合物结构鉴定

X射线光电子能谱法对于内壳层电子结合能化学位移的精确测量，能提供化学键和电荷分布方面的信息。

四、X射线光电子能谱谱图

XPS谱图的主线：光电子线——鉴定元素

伴峰或伴线：俄歇线、X射线卫星线、振激线和振离线、多重劈裂线、能量损失线、鬼线——帮助解释谱图，为原子中电子结构的研究提供重要信息。

XPS典型谱图

横坐标：电子束缚能或动能，直接反映电子壳层/能级结构

纵坐标：cps（Counts per second），相对光电子流强度

谱峰直接代表原子轨道的结合能。

本底为轫致辐射（非弹性散射的一次和二次电子产生）：高结合能的背底电子多，随结合能的增高呈逐渐上升趋势。

XPS谱图分析——主线

最强的光电子线常常是谱图中强度最大、峰宽最小、对称性最好的谱峰，称为XPS谱图中的主线。每一种元素(H和He除外)都有自己最强的、具有表征作用的光电子线，它是元素定性分析的主要依据。

一般来说，n↓峰，强度↑；n相等时，l ↑峰，强度↑ 。常见的强光电子线有1s、2p3/2、3d5/2、4f7/2 等。

除了强光电子线外，还有来自原子内其它壳层的光电子线，但强度稍弱，有的极弱。

光电子线的谱线宽度是来自样品元素本征信号的自然宽度、X射线源的自然宽度、仪器以及样品自身状况的宽化因素等四个方面的贡献。

Al 薄膜（表面F污染）表面XPS 图谱

部分元素最强特征峰出现的位置

XPS谱图分析——谱线位移

化学位移：

引起化学位移的因素：不同的氧化态形成化合物不同的近邻数或原子占据不同的点阵位置不同的晶体结构

物理位移：

引起物理位移的因素：表面核电效应自由分子的压力效应固体热效应等

XPS谱图——化学位移

在XPS谱图上表现为谱峰相对于其纯元素峰的位移。增加价电子，使屏蔽效应增强，降低电子的束缚能；反之，价电子减少，有效正电荷增加，电子束缚能增加。W的氧化数增加，更多价电子转移到O离子，4f电子的束缚能移向较高能量。

不同氧化态W相对与纯W的谱峰位移

XPS谱图分析——俄歇线

俄歇（Auger）线有两个特征：

1.Auger与X-ray源无关，改变X-ray，Auger不变。

2.Auger是以谱线群的形式出现的。

在XPS中，可以观察到KLL、LMM、MNN和NOO四个系列的Auger线。

KLL：左边代表起始空穴的电子层，中间代表填补起始空穴的电子所属的电子层，右边代表发射俄歇电子的电子层。

XPS谱图分析——卫星线

X射线的卫星线：

用来照射样品的单色x射线并非单色，常规Al/Mg Kα1,2 射线里混杂能量略高的Kα3,4,5,6 和Kβ射线，它们分别是阳极材料原子中的L2和L3能级上的6个状态不同的电子和M 能级的电子跃迁到K 层上产生的荧光X射线效应。这些射线统称XPS卫星线，所以导致XPS中，除Kα1,2所激发的主谱外，还有一些小的伴峰。

XPS谱图分析——多重分裂线

当原子的价壳层有未成对的自旋电子（例如d区过渡元素、f 区镧系元素、大多数气体原子以及少数分子NO、O2等）时，光致电离所形成的内层空位将与之发生耦合，使体系出现不止一个终态，表现在XPS谱图上即为谱线分裂。

在XPS谱图上，通常能够明显出现的是自旋-轨道偶合能级分裂谱线。这类分裂谱线主要有：p轨道的p3/2 p1/2，d轨道的 d3/2 d5/2和 f 轨道的 f5/2 f7/2，其能量分裂距离依元素不同而不同。但是并不是所有元素都有明显的自旋-轨道偶合分裂谱，而且裂分的能量间距还因化学状态而异。

XPS谱图——振激、振离线

振激和振离线：在光发射中，因内层形成空位，原子中心电位发生突然变化将引起外壳电子跃迁，这时有两种可能：

若外层电子跃迁到更高能级，则称为电子的振激(shake-up)。

若外层电子跃过到非束缚的连续区而成为自由电子，则称为电子的振离(shake-off)。无论是振激还是振离均消耗能量，使最初的光电子动能下降。

XPS谱图——振激、振离线

电子的振激、振离线的一个应用：

Cu、 CuO和Cu2O的结合能差距不大，鉴别困难。Cu和Cu2O没有2p3/2谱线的振激峰；而CuO则有。

XPS谱图分析——能量损失线

光电子能量损失谱线是由于光电子在穿过样品表面时发生非弹性碰撞，能量损失后在谱图上出现的伴峰。

特征能量损失的大小与样品有关；能量损失峰的强度取决于：样品特性、穿过样品的电子动能。

XPS谱图分析——鬼线

XPS中出现的难以解释的光电子线来源：阳极材料不纯或被污染，有部分X射线来自杂质微量元素。

XPS谱图分析——谱线的识别流程

因C, O是经常出现的，所以首先识别C, O的光电子谱线，Auger线及属于C, O的其他类型的谱线。

利用X射线光电子谱手册中的各元素的峰位表确定其他强峰，并标出其相关峰，注意有些元素的峰可能相互干扰或重叠。

识别所余弱峰。在此步，一般假设这些峰是某些低含量元素的主峰。若仍有一些小峰仍不能确定，可检验一下它们是否是某些已识别元素的“鬼峰”。

确认识别结论。对于p, d, f 等双峰线，其双峰间距及峰高比一般为一定值。p峰的强度比为1:2；d线为2:3；f线为3:4。

本文来自微信公众号“材料基”。

厉害了！我国首台纳米角分辨光电子能谱装置研制成功，打破垄断

有这样一个科研神器，名字叫角分辨光电子能谱装置。

角分辨光电子能谱，简称ARPES，它可以利用光电效应研究固体的电子结构，能直观地获得材料全动量空间中超高分辨的电子结构的全部信息。

1887年德国物理学家赫兹发现了光电发射现象，一束光照射在样品表面，当入射光频率高于特定阈值时，表面附近的电子会脱离样品，成为自由电子。

从1899年到1902年，赫兹的实验助手对这一现象做了系统的实验研究，并将其称为光电效应。

我国首台纳米角分辨光电子能谱装置是由上海科技大学副研究员王美晓博士，带领团队研制成功的，也使我国成为继美国、英国、法国、意大利后，第五个建成这种先进装置的国家。

王美晓在上海交大师从贾金锋院士的时候，研究了马约拉纳费米子。这是一种费米子，它的反粒子就是它本身。1937年，埃托雷·马约拉纳发表论文假想这种粒子存在，因此而得名。全世界的科学家，都想找到马约拉纳费米子。

贾金锋院士团队率先观测到了在超导涡旋中的马约拉纳费米子踪迹，并引发了科学界的轰动，相关论文也在2012年发表于国际顶级学术期刊《科学》上，而王美晓就是第一作者。

那么在追踪马约拉纳费米子的过程中，王美晓在美国伯克利大学使用了美国先进光源的角分辨光电子能谱装置。或许是命中注定，王美晓应聘上海科技大学时接到了一项研发任务，恰好就是研制国内首台纳米角分辨光电子能谱装置。

与微米级角分辨光电子能谱装置相比，光斑的将缩小到纳米级别，所以它可以更高效率的探测极小尺寸的样品或具有相分离的多晶畴材料电子结构，又可开创性地研究样品边缘/畴界等局域空间的电子特性，对于低维材料人工异质结电子结构、拓扑量子材料边缘态等前沿科学问题探索更具有独特的优势。

最终，经过6年的刻苦攻关，在克服了旋转真空腔设计、光路定位与诊断、样品位置精密操纵及稳定性、低温性能等多项技术难题之后，王美晓带领的上海科技大学团队，终于建成了国内首个纳米角分辨光电子能谱实验站，成功的填补了国内相关研究设施的空白，并顺利的通过了中国科学院组织的工艺测试。

现场测试结果表明：该实验站的实测光斑、能量分辨率、光通量等各项指标均达到或优于设计指标。其中，实验站水平/竖直方向的空间分辨率均优于200纳米，总体参数性能达到国际顶尖水平。

同时，它也是国家“十二五”重大科技基础设施项目，“上海光源线站工程”部署规划建设“纳米自旋与磁学线站”的重要组成部分。

上海光源线站工程于2016年11月20日正式开工，预计2022年建成。该工程建设内容包括新建16条性能先进的光束线站、实验辅助系统、光源性能拓展、建安工程及配套公用设施，将实现第三代同步辐射光源近乎极限的时间、空间以及能量分辨能力，全面提升上海光源科技策源能力，更好地服务于世界科技前沿与国家战略需求。