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第六章 表面分析技术

表/界面在化学、 物理学以及材料科学等领域的研究意义已经十分明确, 所谓界面是指被研究体系中存在的某种特性随空间距离发生突变的区域, 这种突变性包括密度、 晶体结构以及化学组成等, 表面是界面的一种特例, 即界面的一侧为空间, 也就是说表面是物质本体和空间之间的过渡区域, 它在一般意义上包含了物体最外层的数层原子和一些外来的原子或分子, 涉及从埃到几个纳米的空间范围。固体表面的性质有其特殊性, 因为在表面的一侧不存在原子, 导致表面两侧不具有对称性, 因此往往表面原子的排列结构和其本体不同, 同样表面区的化学组成、 电子结构和运动等也都和本体表现出显著的差异, 从而导致表面的电荷分布不均, 形成表面偶极层, 这种表面偶极层对粒子在表面的运动、 外来原子( 分子) 和表面的键合以及外来粒子和表面的电子互作用等都会产生重要的影响。人们对表/界面研究产生浓厚兴趣的原因正是因为发现了物体的某些性质其实并非完全决定于其本体的性质, 而是在很大程度上取决于表面的性质。譬如当前作为材料研究热点的纳米材料, 之因此具有巨大的诱惑力, 就是因为在纳米尺度上表面所展现的性质占据了主要部分, 能够获得较本体材料更为显著的性能, 因此对表面开展研究是现代科学技术中一个十分重要的领域。表面分析的基本原理都能够看作是由一次束( 电子束、 离子束、 光子束等) 辐照于固体样品使之产生二次束( 电子、 离子、 X射线等) , 经过对含有样品信息的二次束的检测, 实现对样品的分析。由于样品本身的吸收作用, 在样品深处产生的二次粒子不能射出固体表面, 只有在表面或表面浅层的”表层”样品中产生的粒子才可能被检测到, 因此这类分析方法都称为表面分析方法。图6-1表明了表面分析的基本技术特征, 在表面分析技术领域已经较为广泛采用的一次束的类型可由表6-1说明。

图6-1 表面分析示意图
表6-1所列为常见一次束、 二次束类型及能够获得的分析信号, 当前最为常见的表面分析方法包括X光电子能谱法( X-Ray photoelectron spectroscopy, XPS, 或称Electron Spectroscopy for Chemical Analysis, ESCA) 、 紫外光电子能谱法( Ultraviolet photoelectron spectroscopy, UPS) 、 俄歇电子能谱法( Auger Electron spectroscopy, AES) 、 二次离子质谱法( Secondary Ion Mass spectrometry, SIMS) 、 离子散射光谱( Ion Scattering Spectrometry, ISS) 、 激光微探针质谱法( Laser Microprobe Mass spectrometry, LMMS) 以及电子探针( Electron Microprobe, EM) 等。
表6-1 常见表面分析技术
分析方法
一次束
二次束
获得信息
紫外光电子能谱( UPS)
紫外光
电子
化合物成分、 结构
X光电子能谱( XPS)
X光
电子
化合物成分、 结构
俄歇电子能谱( AES)
电子
电子
化学组成
电子能量损失谱( EELS)
电子
电子
化学结构、 结合吸附物
电子微探针( EM)
电子
X光
化学成分
二次离子质谱( SIMS)
离子
离子
化合物成分、 结构
离子散射光谱( ISS)
离子
离子
化学组成、 原子结构
激光微探针质谱( LMMS)
光子
离子
化合物成分、 结构
表面等离子体共振( SPR)
光子
光子
化学结构、 表面薄膜浓度
偏振光椭圆率测量
光子
光子
薄膜厚度

§6.1 电子能谱分析
电子能谱分析是多种技术的一个总称, 其共同点是采用激发源( 单色光源, 如X射线、 紫外光, 或粒子, 如高能量的电子、 离子、 原子等) 去冲击样品, 使样品中电子受到激发、 电离并逸出物体表面而发射出来, 然后测量这些电子的产额( 强度) 对其能量的分布, 从中获得样品的有关信息。电子能谱与光谱在检测对象上明显不同, 它探测的不是被样品激发后出射的电磁波, 而是被入射能量从样品中击出的电子的能量分布、 强度分布和空间分布等信息。电子能谱主要包括X光电子能谱( XPS) 、 紫外光电子能谱( UPS) 及俄歇电子能谱( AES) 等。几种能谱技术的主要区别在于激发源及发射电子能量分布所对应的信息, 就形成发射电子的激发源而言, 紫外光电子能谱和X光电子能谱都使用光子作为一次束, 故又都属于光电子能谱。这其中的能量关系见图6-2。

图6-2 光电过程的能量关系
电子能谱所探测的信号深度主要决定于所产生电子的非弹性碰撞平均自由程( l) , 它和电子能量相关( 见图6-3) , 电子运动超过l距离后, 发生非弹性碰撞而改变能量, 失去原携带的信息, 对具有E=10eV~2keV的电子, 其l的范围约在0.4~2nm之间。

图6-3 电子能谱探测深度和电子能量的关系

§6.1.1 X光电子能谱分析
1. 光电子能谱原理
用具有一定能量的光辐照分子, 使光子与分子发生碰撞, 光子可能会被分子吸收而导致电子从分子中发射出来, 发射出来的电子为光电子, 分子失去了电子而成为阳离子, 这种现象称为光电效应。光电效应能够是只简单地吸收一个光子而发射出一个自由电子, 称为单电子过程, 也有分子吸收一个光子会涉及两个电子的变化, 如果同时有两个电子发射出来, 或者发射出一个电子的同时放出荧光等, 称为双电子过程。光电子能谱学研究的是单电子的光电子激发过程( 双电子过程为禁阻过程, 实现跃迁的概率远远低于单电子过程) 。光电效应首先由德国物理学家H. R. Hertz于1887年发现, 19 爱因斯坦对该现象给予了解释, 1960年代瑞典物理学家K. Siegbahn将该现象用于分析, 开展了光电子能谱的先驱研究工作, 并因此获得1981年诺贝尔物理学奖。光电子能谱学是把光电效应应用到研究自由分子( 或固体表面) 的电子结构的学科, 当前已经在基础研究、 物质元素结构分析等众多方面得到应用。
在光电子能谱技术中, 主要区别在于激发源, 紫外光电子能谱仪中为真空紫外光, X光电子能谱仪的激发源为X射线, 除此之外其它部分基本相同, 检测的都是光电子的能量分布。进行相应的光电子能谱分析所使用的仪器设备结构也大致类似, 在多数仪器上可同时备有这两种光源。
在光对样品分子进行激发的过程中, 被束缚在各分子轨道上的电子具有一定的结合能Eb, 若激发光子的能量hv超过Eb, 就有可能将电子击出形成光电子, 同时产生分子的正离子:
 M + hv → M+* + e
其中M代表分子或原子, M*代表激发态的分子离子或离子。
在分子中的一个电子电离时, 假设分子中其余电子的运动状态不发生变化, 被限制在原来占据的轨道, 则库普曼斯( Koopmans) 定理成立, 即按分子轨道理论, 在冻结假设下, 从分子中电离出某个电子所需要的电离能等于这个电子所占据的分子轨道能量的负值。
在一般条件下, 绝大多数分子处于运动的基态, 即处在能级最低态, 对于分子的电子运动和振动特别如此, 此时的能量为基态能量E(M)。对于在某一个确定状态的离于( 包括电子运动、 振动和转动等状态) 也有一个确定的能量E(M+), 但离子不一定处于基态状态, 它能够处于某一个特定的电子运动状态、 特定的振动状态和转动状态, 能够是某一个激发的状态, 对应于某一个特定的能级状态。因此, 激发能需要将电子从基态激发至该状态, 相应的电离能就能够分为三部分, 即电子运动激发能Ee, 振动激发能Ev和转动激发能Er, 分别代表分子在电离时电子运动、 振动和转动能量的改变, 电离能能够表示为:
I = Ee* + Ev* + Er* ( 6-1)
电子运动、 振动和转动三种能级处在不同的数量级, 对于价电子, Ee*～10eV, Ev*要小得多, ～0.1eV, Er*更低, ～0.001eV, 相比较起来, 后两者远远低于电子能级, 因此能够近似忽略, 因而相应的有:
I ≈ Ee* ( 6-2)
对于各种光电离过程, 总体能量守恒, 则有:
E(M) + hν = E(M+) + Ek ( 6-3)
Ek代表发射出的光电子所具有的动能, 则有:
Ek = hν - [E(M+) - E(M)] ( 6-4)
上式方括号中代表离子M+和分子M间的能量差, 即分子电离所需要的能量--电离能:
I = E(M+) - E(M) ( 6-5)
由此可得:
Ek = hν – I ( 6-6)
在实验中使用单色光, 激发光子具有固定的能量hν, 从上式能够看出, 光子的能量除花费在价电子电离( I) 外, 所剩余的能量表现为光电子的动能( Ek) 。因此, 只要测定出光电子的动能Ek, 就能够计算出对应的电离能I, 反之亦然。
这一过程中所获得的光电子动能Ek为:
    Ek = hv - Eb ( 6-7)
按照分子轨道理论, 每一个占据在分子轨道上的电子实现光电离并发射出来时, 具有确定的动能, 即激发能与电离能之差, 在光电子能谱谱图中出现特征谱带。电子所处的分子轨道能级越低, Eb就越大, 击出这个电子耗费的能量就越多, 所获得的光电子具有的动能Ek就越低; 反之, 从一个能级较高的分子轨道上击出被束缚得较松的电子, 其具有的Ek就较大。
在原子或分子中, 电子的能级呈量子化分布, 如果使用单色的光源进行激发( 具有相同的能量hv) , 所获得的光电子也就有相应的动能分布, 非连续而由一系列分立能带组成。不同动能的光电子经过能量分析器被区分开来, 经检测、 放大、 记录, 得到讯号强度, 即光电子数n(E)。以电子结合能Eb, 或光电子动能Ek为横坐标, 单位时间内发射的光电子数为纵坐标, 记录的谱图即为光电子能谱。该谱图反应了原子或分子中电子能级的分布情形, 因此能够获得检测区域的化学及结构等信息。
在光电子能谱中, 使用特定波长的光束对样品进行辐射, 从而获得光电子的发射。在大量的光电子中, 其光电子的动能存在一定的分布, 某些具有相同的动能, 对应着同一种电离过程, 即相同的初始分子和最终离子态。使用能量分析器能够把具有不同动能的光电子相区分, 并在固定时间内对具有各种大小能量的光电子进行计数, 最终给出具有不同动能光电子的数量分布图, 即光电子能谱图。该能谱图与电离后离子状态、 激发光子的能量相关, 而且还受到实验具体参数的影响。
2. X光电子能谱分析的基本原理
X光电子能谱是使用X光作为一次激发束的电子能谱技术, 它能够同时给出样品的元素组成以及化合物的结构和氧化态等信息, 故该技术又被称为化学分析电子能谱( Electron Spectroscopy for Chemical Analysis, ESCA) , 其基本原理见图6-4。

图6-4 XPS原理图
具有较高能量的X射线照射到样品表面, 和待测物质发生作用, 能够使待测物质原子中的电子脱离原子成为自由电子。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, 则有:
hν = Ek + Eb + Φ 或 Eb = hν– Ek - Φ ( 6-8)
仪器材料的功函数Φ是一个定值, 约为4eV, 入射X光子能量已知, 此时如果测出电子的动能Ek, 便可得到固体样品电子的结合能Eb。各种原子、 分子的轨道电子结合能是一定的, 因此经过对样品产生的光子能量的测定, 就能够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称为化学位移, 由化学位移的大小能够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, 利用化学位移值能够分析元素的化合价和存在形式。
X光电子能谱法提供的是样品表面的元素含量与形态, 而不是样品整体的成分。其信息深度约为3-5nm。如果利用离子作为剥离手段, 利用XPS作为分析方法, 则能够实现对样品的深度分析。对于固体样品, 除了氢、 氦之外的所有元素都能够使用XPS进行分析。
3. X光电子能谱分析仪器

图6-5 电子能谱仪结构框图
电子能谱仪具有相似的系统组成, 如图6-5所示, 一般都含有激发源、 电离室、 真空系统、 电子能量分析器、 检测器及记录系统, 有些为了方便不同样品的检测, 包含进样或是加样系统。激发源能够是光子, 也能够是粒子, 在X光电子能谱和紫外光电子能谱中, 分别为X射线和紫外光, 俄歇电子能谱仪中为电子。激发源投射到电离室中的样品上, 使之产生二次电子, 二次电子进入电子能量分析器, 对不同能量的电子加以区分, 检测器对各种能量电子的数量进行检测, 最终将检测结果汇总, 经过记录系统最终输出电子能谱图, 作为分析的依据。真空系统的作用是保持系统内高度的真空, 以利于检测。
( 1) . 激发源
1) . X射线激发源
各种能谱仪最主要的区别在于激发源的不同。在X射线电子能谱仪中为能量较高的X射线。使用高速运动的带电粒子撞击到物体时会产生X射线( 由德国物理学家伦琴W.C. Roentgen发现, 故又称伦琴射线) , X射线管即基于该原理。阴极灯丝( 以钨最为常见) 受热后发出热电子, 电子在管内的高压电场作用下获得很高的运动速度, 并与阳极靶相撞, 该过程中高能电子能够激发阳极靶发射X射线, 其结构见图6-6所示。该激发过程效率不高, 一般只有1%左右的能量转化成X射线, 其余大部分转化成热能。

图6-6 X射线管结构
X射线管所产生的辐射有两种类型, 即连续辐射和特征辐射。连续辐射的产生与初级电子能量相关, 具有不同的波长和强度, 又称之为韧致辐射( Bremsstrahlung) 或白色X射线( white X ray) 。特征辐射来源于靶原子内部的能级跃迁, 对于特定的阳极靶, 具有固定的辐射波长。传统仪器都采用Al Kα( 1485.6eV) 和Mg Kα( 1253.6eV) 为X射线源, 即双阳极靶。在发射谱中, 除了这两条谱线外, 相应的还会产生由多重电子跃迁所形成的谱线, 这些谱线称之为卫星线( satellite lines) 。对于能谱分析过程, 希望激发源具有较好的单色性, 背景辐射和卫星线会对实验带来干扰, 使光源的单色性变差, 需要加以滤除。对于铝靶, 可在其后放置一个铝窗口, 能够起到类似滤光片的作用, 去除Kβ线和背景辐射。使用X光单色器能够改进干扰的状况, 获得约0.3eV的分辨率, 检测光束得以缩小至50μm。从电子动能关系式可知, 入射X射线能量的变化会导致出射电子动能的改变, 当前已有研究使用单色化的Al阳极靶以提高能量分辨率。
表6-2 常见X射线源的能量
X射线光源
E/eV
X射线光源
E/eV
Mg Ka
Al Ka
Na Ka
Ag Ka
Cu Ka
1253.6
1486.6
1041.0
22162.9
8040.0
Cr Ka
Mo Ka
He 21S
23S
5415
17479.8
20.61
19.81

2) . 同步辐射源
另一种非常有用的光源为同步辐射光源。加速运动的电子会发出辐射能, 在加速器和存储环内运动的高能电子和正电子能够给出高能量、 高强度的连续辐射, 沿着荷电粒子的瞬间飞行方向以很小的角度发射( 见图6-7) 。同步辐射可提供波长范围600-40Å之间的高强度辐射, 经过单色化后用来激发样品。同步辐射的另一特点是高度偏振, 且光子通量、 角分布和能谱等均可精确计算。将介于能量较低的紫外线与能量较高的软X射线之间的同步辐射光源应用于电子能谱分析, 具有非常广阔的前景。

图6-7 同步辐射现象示意图
同步辐射现象是1947年在美国通用电器公司的一台70MeV的同步加速器中首次观察到的, 但对同步辐射的研究与认识并非从此开始, 高速运动的电子在速度改变时会发出辐射的现象早就被人们所认识并经历了长期的理论研究, 但实验上观察到这种辐射需要有以近光速运动的高能量电子, 因此电子加速器的发展成为获得同步辐射的技术基础。同步辐射电子加速器可使高能电子加速到MeV乃至GeV的能量范围, 主要有以下几种类型:
a. 直线加速器
加速电子( 或其它带电粒子) 到高速度、 高能量的简单且直接的方法是高压型加速, 增大加速电压就能使电子加速到很高的速度或能量, 这种加速过程需要在高真空或超高真空条件中进行。对于电子, 其带电量为一个电子电菏e, 如要将电子加速到几十KeV的能量就要用几十KV的电压, 以此类推, 在更高的电压条件下, 为避免高压击穿须采用强烈的电感应来加速, 而且必须在合适的相位范围内使相位相同, 否则不但不能加速还会减速。这种用高频高电压加速的粒子流是脉冲式的很窄的粒子流, 成为一个个束团。为了利用高电压来加速, 人们把多个中空的金属筒有间隙的排列在一条直线上, 并将高压高频交流电源间隔的耦合到各个圆筒上, 各个圆筒之间存在高电压, 相位轮流相反, 电子在圆筒之间被加速。
b. 回旋加速器和电子感应加速器
如果要用直线加速器得到很高的电子能量, 整个加速器要做的很长, 很不经济。到了20世纪20年代, 回旋加速器( cyclotron) 和电子感应( betatron) 相继创造, 有了把电子加速到极高能量的可能。回旋加速器是利用高频感应电压给电子加速增能和用磁场使带电粒子做圆周运动这两种作用建立起来的。电子感应加速器是利用电子绕圈内的磁通量变化所感应出的电场来加速电子电子在圆形环中运动, 所运行的轨道半径一步一步增加, 每绕一圈就加速一回, 由于电子的速度很快, 在不长的时间内绕的圈数很多, 故能够得到很高的能量。
c. 同步加速器
1945年 McMillan和Veksler创造了同步加速装置。同步加速器由许多C型磁铁环状排列而成, 在磁铁中部安装了环型真空盒, 在环的某一段安装了高频高压加速器, 电子就在真空盒内, 在磁铁的作用下做环状运动, 经过高频时得到加速。为使加速后的电子仍以相同的半径作环形运动, 就要改变同步C形磁铁造成的约束磁场, 这就是同步加速器的由来。到了20世纪70年代中期, 人们进一步认识到在高能物理中用于对撞实验的电子存储环来发生同步辐射更合适, 因为电子在存储环中以一定的能量作稳定的回环运动, 这与同步加速器中的电子的能量不断改变的情况不同, 因而能长时间的稳定的发出同步辐射光。随着电子存储环能量的提高, 所得同步辐射的波长不断缩短, 从紫外线或软X射线一直扩展到硬X射线。
插入在储存环两个弯转磁铁组件之间的直线段称为插入件, 电子经过插入件时, 在磁场的作用下, 将沿一条近似为正弦曲线的轨道运动, 这样就能够从插入件引出同步光。采用永磁体磁铁可将插入件磁铁周期缩短到几厘米, 大大增加了插入件中磁铁的周期数。在低磁场大周期数的情况下, 电子穿过插入件时, 其轨道只作轻微起伏, 因而被称为”波荡器”( undulator) 。电子在波荡器中运动轨道的曲率半径很大, 一般地, 波荡器是不能使同步光谱向高能方向移动的, 但由于电子的偏转角小, 从波荡器中不同的磁极上发射出来的光子在很大的程度上相干地叠加, 干涉效应使得同步光谱中出现一系列尖峰。也就是说, 波荡器给出一系列近乎单色的同步光, 而且在这些波长上的同步光的亮度要增强N2倍以上。在波荡器中产生的同步光的发射角是很小的, 近似地只有弯转磁铁上产生的同步光的发射角的1/N。
同步辐射较之常规光源有许多优点, 比如它频谱宽, 从红外一直到硬X射线, 是一个包括各种波长光的综合光源, 能够从其中得到任何所需波长的光。其中最突出的优点是亮度大, 第一代光源的亮度即可达1014-1015, 较之转靶X射线发生器的特征谱的亮度1011高出三四个数量级。高亮度的光强能够做空前的高分辨率( 空间分辨、 角分辨、 能量分辨、 时间分辨) 的实验, 这些都是用常规光源无法完成的的。还有同步辐射发散角小, 光线是近似平行的, 其利用率、 分辨率均大大提高, 另外还有时间结构、 偏振特性, 有一定的相干性和可准确计算等等。正因为有以上各种优点, 它在科学、 技术、 医学等众多方面解决了一批常规实验室无法解决的问题, 做出了重大贡献, 世界各国特别是发达国家对此都十分重视, 纷纷建立了自己的同步辐射实验中心。
同步辐射光是一个连续的波谱, 从VUV到几千KeV能量的X射线均有分布, 从而为相关科学研究提供高亮度、 高准直性的优质光源。同步辐射在环境科学、 化学化工、 物理学、 材料科学、 生命科学、 地质考古、 农业、 工业及国防等众多领域有着广泛的应用。

图6-8 同步辐射应用于物质结构研究
同步辐射应用主要涉及( 1) 与物质的相互作用, 包括吸收、 散射、 二次粒子发射等。( 2) 空间分辨实验-X光显微术, 包括物质的形态研究、 结构研究、 成分研究等。( 3) 时间分辨实验, 包括分子振动、 有序-无序转变、 酶作用、 蛋白-蛋白相互作用、 质子/电子迁移效应等方面, 特别在探索生物大分子(蛋白质)的结构及了解生命过程, 从结构研究进入到功能研究等方面发挥巨大作用, 因为蛋白质动力学的不少领域的时间尺度是落在第三代同步辐射光源的时间分辨阈中的, 如分子间振动( fs-us) 、 有序-无序转变( ns-ms) 、 酶作用( ms) 、 蛋白质-蛋白质相互作用( ps-ms) 、 质子/电子迁移反应( ps-ms) 、 金属-配体结合( ps-ms) 等。
同步辐射另一个重要应用的例子是在LIGA技术中的应用, 它是德文Lithogrsphie( 光刻) 、 Galvanoformung( 电铸成型) 和Abformung( 塑铸成型) 三个字的字头, 它由深层同步辐射光刻、 电铸成型及塑铸成型这三个工艺过程组成。LIGA技术原理与全息记录的大规模复制相仿。同步辐射提供立体的光刻, 要增加刻蚀深度, 必须使用波长比紫外光短得多的X光。如果要做几十到几百微米深度的光刻, 所使用的光应是波长在2-10Å之间的X光, 除波长之外还有两个重要的因素, 就是光的功率密度和准直性, 这些都是同步辐射特有的优势, 用LIGA技术可生产出可植入人体的微型电机, 其直径只约为1mm, 厚度为1.9mm, 重量为0.1g, 转速为每分钟10万转, 直径细如发丝的齿轮的精度达微米的量级, 微马达和微照明灯具已被应用于非剖开性的人体内部外科手术。
( 2) . 真空系统
真空系统是能谱仪乃至整个表面分析技术中都非常重要的一个部件。表面分析仪器中如果没有足够高的真空度, 清洁的样品表面很快会被残余气体分子所覆盖, 对于固体样品, 其激发所获得的二次束来源于非常浅层的表面, 如果气态分子撞击表面并被吸附的话则可能形成表面污染, 影响到样品的检测, 这样就不能得到准确的分析结果。另外, 激发过程中光电子信号一般很弱, 能量也很低, 过多的残余气体分子与光电子碰撞, 可能使得光电子能量损失而得不到检测, 发射过程中气体有可能与发出的光电子相互作用, 同样影响到检测结果。因此, 超高真空对于包括电子能谱仪在内的表面分析设备必不可少。一般要求检测体系达到10-7 - 10-8 torr( 1torr = 1mm汞柱, 约133.2Pa) 的真空度。为了达到这么高的真空度, 电子能谱仪的真空系统由多级泵系统形成, 首先使用机械泵使真空度至10-1torr, 再经由分子涡轮泵、 离子溅射泵和钛升华泵等进一步获得所需的真空度。
( 3) . 样品室
样品室可同时放置几个样品, 同时还要使得一次束能够对样品进行激发, 而且激发获得的二次束能够进入后续的能量分析器或是检测器。另外为了满足实验检测的条件, 有些操作还需要在样品室中进行如对样品进行加热、 冷却、 蒸镀和刻蚀等。
最经常见的进样分析方式是将样品附在探头或进样杆上, 再将它们插到样品室内。这种做法是在恢复大气压条件下更换样品, 其最明显的缺点就是工作曲时间长, 但在换样过程中污染少, 能够获得比较”纯净”的表面, 对于某些表面清洁需花费很长时间的样品, 在时间上反倒具有优势。
另一种操作上稍方便的的是真空闭锁或插入闭锁。这种构型允许快速换样, 在将样品导入到检测平台的过程中, 样品室仍保持真空, 因此能够避免重复的放气-抽真空的操作, 换样速度快。这种模式一般见于常规分析。
一般情况下, 电子能谱仪对固体样品可直接进行分析。如果是粉体样品, 能够采用压片法制成薄片, 也能够用粘胶带把样品固定在样品台上。样品中不能含有挥发性物质, 以免破坏真空。样品表面若有污染, 必须用溶剂清洁干净, 或利用离子枪对表面进行清洁处理。
( 4) . 电子能量分析器
电子能量分析器是能谱仪的核心部分, 其功能是测量从样品中发射出来的电子的能量分布。一个性能优异的能量分析器, 一方面应该对即使很微量的电子都能够给予检出分析, 即高灵敏度, 另一方面需要对具有微小能量差异的电子予以区分, 即高分辨率。对XPS而言, 如果要求分辨率在1000eV时约为0.2eV, 则对应分辨率( E/ΔE) 为5000, 这个分辨能力对于所有其它电子能谱的应用已足够。高灵敏度和高分辨率往往相互矛盾, 必要时为了实现高灵敏度的检测, 为了增加必要的灵敏度, 还需要降低分辨率。
能量分析器按照其工作原理可分为减速场型和偏转型。减速场型是经过光电子在飞向收集端中间设置减速栅极, 只允许能量高于栅极减速电位的电子经过并到达检测器。设置的减速电位越高, 则经过电子具有的初始动能就越高。这种类型的分析器又可进一步分成筒形栅极和球形栅极两类。减速场分析器对于不同能量的电子具有相同的灵敏度, 且检测立体角大, 收集效率高, 结果以积分谱形式给出, 分辨率受限。

图6-9 半球形电子能量分析器
图6-9所示为半球形电子能量分析器示意图, 经过改变两球面间的电位差, 能够使不同能量的电子依次经过分析器, 被探测器检测到, 类似于光谱中单色器的扫描作用。这种能量分析器的分辨率较高, 但分析速度受限。
偏转型分析器类似于质谱中的磁偏转型质量分析器, 具有不同能量的光电子在磁场和电场中有不同的偏转, 利用该特性能够将它们分开, 从而实现空间分辨, 类似于光谱仪器中的色散元件, 又称为色散式分析器。在电子能量较高时, 具有较好的分辨率。球形静电能量分析器, 其工作原理与平板电极类似, 只不过将其弯成圆筒状, 形成一个几乎球形的静电场, 以有效的俘获电子并获得较好的聚焦。
( 5) . 检测器
经能量分析之后具有合适动能的电子进入检测器, 最终被转换成电流形式的检测信号。对于电子能谱仪, 一般配以偏转型分析器, 其输出电流非常微弱, 在10-13～10-19A( 相当于106～1个电子/秒) , 因此需要对电流加以放大才能检出。大多数电子能谱仪器采用电子倍增管为检测器, 由于串级碰撞放大作用, 可获得106-108倍的增益, 在倍增器末端输出电流脉冲, 脉冲经进一步放大后送至多道分析器并由计算机处理并显示。
另外一种检测器为振动电容式静电计, 其中含有法拉第杯, 电子可由该杯收集。这种类型的检测器响应速度慢, 同时灵敏度也不如电子倍增管, 其优势是能够与减速场分析器联用, 可对分散范围很广的电子进行收集, 同时还具有积分的功能, 可长时间收集后给出积分信号, 一般只限于一些电子倍增管使用困难的场合。
多道分析器( multichannel analyzer, MCA) 是检测器应用的最新趋势, 该分析器由并列的多重检测器组成, 形式类似于其它分析方法的阵列检测器。多道检测器能够安装到能量分析器末端的焦平面上, 此时不同的位置( 检测通道) 对应着不同的电子能量, 由此可对具有不同能量的电子进行计数。相比传统扫描型的能谱检测, 多道分析器具有快速高效的特点。
4. X光电子能谱仪的应用
X光电子能谱仪又被称为化学分析电子光谱, 它能够提供丰富的被测体系的信息, 既可用于定性又可用于定量, 除了能够检出所含元素外, 还能给出元素状态和结构信息。
( 1) . 定性分析
对于不同元素的能谱峰, 主量子数n小的峰比n大的峰强, 具有相同主量子数n的元素, 角量子数L大的峰比L小的峰强, 内量子数J大的峰比J小的峰强。
使用高分辨率X光电子能谱, 能够对样品的元素组成进行确定, 如果使用Al或Mg的Kα源进行激发, 则除了氢和氦之外所有的核( 氢和氦没有内层能级, 没有办法对其进行激发) 都会发出具有特定结合能的内层电子, 一般动能范围在250～1500eV, 相对应结合能0～1250eV。周期表上元素若具有一个或多个能级位于上述区间, 则可获得相应的检测信号。根据光电子能量, 能够标识出是从哪个元素的哪个轨道激发出来的电子, 如Al的2s、 2p等。在大多数情况下, 所有的峰能够较好的分开, 如果元素浓度高于0.1%, 则可在该区间获得确定的峰形。在某些情况下会出现峰重叠的情形, 这时能够经过对能谱区间该元素其它峰的特征峰来加以分辨。在大多数情况下, 俄歇电子的能谱峰在该区间也会出现, 可使用两种激发源( 双阳极靶) 获得的谱图对比加以区分, 因为俄歇电子的动能不随激发源能量的改变而改变, 也就说在两张能谱图上其出现的位置相一致, 而不同X光源激发获得的能谱结果则有差异。
X光电子能谱中, 由于受到样品本身吸收的影响, XPS检测到的只是表面浅层辐射出的光电子, 一般认为取样深度d = 3l, 在三倍波长之内, 对于金属样品吸收较强, 位于0.5~2nm之间, 氧化物的吸收相对较弱, 位于1.5~4nm, 有机物和高分子更弱, 采样深度可达4~10nm。分析过程中, 对样品的激发使用了高能量的光子, 虽然原子内层的电子受激发逸出, 但所产生的离子状态并不稳定, 总会获取电子达到电平衡, 在整个过程中, 样品的化学状态、 形貌等都没有改变, 因此是一种优良的无损表面分析技术。
( 2) . 定量分析
XPS作为定量手段当前正受到越来越多的重视。如果固体样品均一, 则对于单位时间内发射的光电子数目I有:
I = nФσεηATl ( 6-9)
其中n是单位体积内原子的数目, Ф是入射X光的通量( 单位: 光子 cm-2 s-1) , σ为原子光截面积的大小( cm2/原子) , ε为仪器的角度效率因子, η为产生光电子的效率( 光电子数/激发光子数) , A是获取光电子的面积, T是检测光电子的效率, l是光电子在样品中的平均自由程。
对于给定的体系, 上式中后6项均为常数, 可简化为原子灵敏度因子S( S=σεηATl) 。对于给定的谱仪, 经过实验方法可获得各元素的原子灵敏度因子S值。对于未知样品检测获得的光电子强度I与S因子的之间的比值正比于单位体积内原子的数目( 即浓度或是含量) , 该关系能够用于相应元素的定量。在实际工作中, 一般使用峰面积进行定量工作, 而且使用内标方法, 该方法的检测精度在5%左右。因为该方法分析的实际对象是表面或表面浅层, 因此使用的一个重要的前提就是表面和整体的组成相一致, 否则可能导致较大的误差。要对元素进行检测, 一般要求其含量在0.1%以上, 用于定量计算一般典型含量在5%左右。
( 3) . 化学位移和氧化态的研究
内层电子的结合能受到其所处的化学环境的影响, 因为不同的化学结合状态改变了原子核的力场, 使得元素的电子结合能发生化学位移( chemical shift) , 与核磁共振中相类似。以硫元素中的2p电子为例, 正常的结合能为165eV, 但在SO42-和RSH中, 结合能则分别为168和162eV。化学位移值一般较小, 且获得的值与很多因素相关, 重现性不佳, 需要经过一系列校正才可使用。化学位移的值能够使用其具体结合能或是相对某峰的参比值, 峰面积也大致相等于具有相应化学环境的原子数目。

§6.1.2 紫外光电子能谱分析( UPS)
紫外光电子能谱分析的原理与X光电子能谱基本相同, 其基础依然是光电效应, 只不过激发源使用的是比X光能量相对较低的紫外光。1962年D. W. Turner等首先使用紫外激发方法用于气相自由分子的光电子能谱进行分子结构研究。
1. 紫外光电子能谱的基本原理
紫外光电子能谱与前面提到的光电子能谱原理基本一致, 只不过相比较X射线, 真空紫外光的能量一般要低得多, 往往小于41ev( X光电子能谱中>1000eV) , 当用它照射分子时, 只能使分子的价电子, 即分子内占据较高能级的电子, 才有可能被激发出去, 形成电离。能量为 hv 的入射光子从分子中激发出一个电子以后, 留下一个离子, 这个离子能够振动、 转动或其它激发态存在。如果激发出的光电子的动能为Ek, 则:
Ek = hn - Eb - Er - Ev - Et ( 6-10)
其中Ev为振动能, Er为转动能, Et为平动能。Ev的能量在0.1eV量级, Er的能量更小, 大约是0.001eV量级, 因此 Ev和Er比Eb小得多。使用当前已有的高分辨紫外光电子谱仪(分辨能力约10-25meV), 容易观察到振动精细结构。这点是X光电子能谱不具备的。在X射线光电子能谱(XPS)中, 气体分子中原子的内层电子激发出来以后, 留下的离子也存在振动和转动激发态, 可是内层电子的结合能比离子的振动能和转动能要大得多, 而且X射线的自然宽度比紫外线大得多, 因此一般不能分辨出振动精细结构, 更无法分辨出转动精细结构。
2. 紫外光电子能谱仪
紫外光电子能谱仪的结构与前面述及的X光电子能谱仪类似, 结构相近。一定量的样品置于样品室, 受到单色紫外光光子的碰撞发生电离, 电离过程中发射的光电子进入电子动能分析器, 在电子动能分析器中, 具有不同动能的电子在穿过电场时得到分离, 经电子探测器检测, 并经数据处理记录系统获得光电子能谱图。最重要的区别在于激发源部分。
紫外光电子能谱仪中普遍采用的激发源是惰性气体放电灯, 最常见的是氦共振灯。用针阀调节灯内纯氦压力, 当压力大约在0.1torr时, 用直流放电或微波放电能够使惰性气体电离。这时灯内产生带特征性的发光等离子体, 并发射出He I共振线。该线来源于激发态He 1s2p(1p)向基态He 1s2(1s)的跃迁, 光子能量为21.22eV。该辐射的单色性好( 自然宽度仅约0.005eV) , 强度高, 连续本底低, 它是当前应用最广泛的紫外能谱辐射线。氦I线优点明显, 其缺点是能量偏低, 它不能用于激发能量大于21