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XPS分析技术及其在材料微分析方面中的应用

摘要：本文介绍了X 射线光电子能谱（XPS）分析技术的基本原理、技术特点、研究进展、分析仪器构成以及在材料微分析方面的实际应用。

关键词：XPS分析技术；微分析；应用

1、引 言：
近年来，利用各种物理、化学或机械的工艺过程改变基材表面状态、化学成
分、组织结构或形成特殊的表面覆层，优化材料表面，以获得原基材表面所不具
备的某些性能，如高装饰性、耐腐蚀、抗高温氧化、减摩、耐磨、抗疲劳性及光、
电、磁等，达到特定使用条件对产品表面性能的要求的各种表面特殊功能处理技
术得到迅速发展；对表面分析技术发展提出更高要求[1]
材料表面分析业已发展为一种常用的仪器分析方法，特别是对于固体材料的分析和元素化学价态分析。目前常用的表面成分分析方法有：X射线光电子能谱（XPS），俄歇电子能谱（AES），静态二次离子质谱（SIMS）和离子散射谱（ISS）。AES分析主要应用于物理方面的固体材料科学的研究，而XPS的应用面则广泛得多，更适合于化学领域的研究[2]。SIMS和ISS由于定量效果较差，在常规表面分析中的应用相对较少[3]。但近年随着飞行时间质谱（TOF-SIMS）的发展，使得质谱在表面分析上的应用也逐渐增加。X射线光电子能谱（XPS）也被称作化学分析用电子能谱（ESCA）。该方法是在六十年代由瑞典科学家Kai Siegbahn教授发展起来。三十多年的来，X射线光电子能谱无论在理论上和实验技术上都已获得了长足的发展。XPS已从刚开始主要用来对化学元素的定性分析，业已发展为表面元素定性、半定量分析及元素化学价态分析的重要手段。XPS的研究领域也不再局限于传统的化学分析，而扩展到现代迅猛发展的材料学科。目前该分析方法在日常表面分析工作中的份额约50%，是一种最主要的表面分析工具。在X射线源上，已从原来的激发能固定的射线源发展到利用同步辐射获得X射线能量单色化并连续可调的激发源[6]；传统的固定式X射线源也发展到电子束扫描金属靶所产生的可扫描式X射线源；X射线的束斑直径也实现了微型化，最小的束斑直径已能达到6μm使得XPS在微区分析上的应用得到了大幅度的加强。图像XPS技术的发展，大大促进了XPS在新材料研究上的应用。在谱仪的能量分析检测器方面，也从传统的单通道电子倍增器检测器发展到位置灵敏检测器和多通道检测器，使得检测灵敏度获得了大幅度的提高。计算机系统的广泛采用，使得采样速度和谱图的解析能力也有了很大的提高[4]。由于XPS具有很高的表面灵敏度，适合于有关涉及到表面元素定性和定量分析方面的应用，同样也可以应用于元素化学价态的研究。此外，配合离子束剥离技术和变角XPS技术，还可以进行薄膜材料的深度分析和界面分析。因此，XPS方法可广泛应用于化学化工，材料，机械，电子材料等领域。
本文介绍了X 射线光电子能谱（XPS）的基本分析原理、技术特点、研究进展、分析仪器构成以及在材料研究中应用情况，旨在增强对XPS 表面分析技术系统了解。
2、XPS 的分析原理、技术特点及研究进展：
2.1 XPS 的基本原理[1]
X射线光电子能谱XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy)也被称作化学分析
用电子能谱ESCA(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis)，其基本原理在单
色（或准单色）X 射线照射下，测量材料表面所发射的光电子能谱来获取表面化学成分、化学态、分子结构等方面的信息；XPS 理论首先是由瑞典皇家科学院院士、乌普萨拉大学物理研究所所长K.Siegbahn 教授创立的，并于1954 年研制成世界上第一台双聚焦磁场式光电子能谱仪，精确测定了元素周期表中各种原子的内层电子结合能。
2.1.1 光电效应
在光的照射下，电子从金属表面逸出的现象，称为光电效应。如下图所示：

根据Einstein的能量关系式有： hn = EB + EK
其中：n—光子的频率；h—普朗克常量；EB —内层电子的轨道结合能或电离能；EK —被入射光子所激发出的光电子的动能。
实际的X射线光电子能谱仪中的能量关系为：hn = EB + EK + Φs + A
其中：Φs—谱仪的功函数，光电子逸出表面所需能量；A—样品的功函数，光电子输运过程中因非弹性散射而损失的能量。
可见，当入射X射线能量一定，测出功函数和电子的动能，即可求出电子的结合能。由于只有表面处的光电子才能从固体中逸出，因而测得的电子结合能必然反应了表面化学成份的情况。样品经X射线辐照后，从表面出射的光电子的强度是和样品中该原子的浓度有线性关系，可以利用它进行元素的半定量分析。鉴于光电子的强度不仅和原子的浓度有关，还和光电子的平均自由程、样品的表面光洁度，元素所处的化学状态，X射线源强度以及仪器的状态有关。因此，XPS技术一般不能给出所分析元素的绝对含量，仅能提供各元素的相对含量。由于元素的灵敏度因子不仅和元素种类有关，还和元素在物质中的存在状态，仪器的状态有一定的关系，因此不经校准测得的相对含量也会存在很大的误差。
2.1.2 逃逸深度（λm）
和俄歇电子相同，只有那些来自表面附近在逃逸深度以内的光电子才没有经过散射而损失能量，才对确定EB的谱峰有所贡献。对于XPS 有用的光电子能量为：100~1200eV；λm =0.5~2.0 nm（金属）；λm=4~10nm（高聚物）。而逃逸深度和逸出角有关：λ = λm；其中为探测角，出射方向和面法线夹角。当 = 0垂直表面射出的电子来自最大逸出深度；当≈ 90o，近似平行于表面射出的电子纯粹来自最外表面几个原子层。因而改变探测角可调整表面灵敏度。XPS是一种表面灵敏的分析方法，具有很高的表面检测灵敏度，可以达到10-3原子单层，但对于体相检测灵敏度仅为0.1%左右。XPS是一种表面灵敏的分析技术，其表面采样深度为2.0～5.0 nm，它提供的仅是表面上的元素含量，和体相成分会有很大的差别。而它的采样深度和材料性质、光电子的能量有关，也同样品表面和分析器的角度有关。
2.1.3 化学位移
由于原子所处的化学环境不同而引起的内层电子结合能的变化，在谱图上表现为谱峰的位移，这一现象称为化学位移。虽然出射的光电子的结合能主要由元素的种类和激发轨道所决定，但由于原子外层电子的屏蔽效应，芯能级轨道上的电子的结合能在不同的化学环境中是不一样的，有一些微小的差异。这种结合能上的微小差异就是元素的化学位移，它取决于元素在样品中所处的化学环境。一般，元素获得额外电子时，化学价态为负，该元素的结合能降低。反之，当该元素失去电子时，化学价为正，XPS的结合能增加。 利用这种化学位移可以分析元素在该物种中的化学价态和存在形式。元素的化学价态分析是XPS分析的最重要的应用之一。
2.2 XPS分析技术特点[2]
和其他表面分析技术相比，具有以下几个特点：非破坏性；可以研究有机物等表面；真空要求相对较低；能进行元素化合态和电子能带结构分析。
在XPS 分析中，由于采用的X 射线激发源的能量较高，不仅可以激发出原子价轨道中的价电子，还可以激发出芯能级上的内层轨道电子，其出射光电子的
能量仅和入射光子的能量及原子轨道结合能有关。因此，对于特定的单色激发源和特定的原子轨道，其光电子的能量是特征的。当固定激发源能量时，其光电子
的能量仅和元素的种类和所电离激发的原子轨道有关。因此，我们可以根据光电
子的结合能定性分析物质的元素种类。
2.3 XPS分析技术研究进展
20世纪40年代瑞典Uppsala大学在β-射线谱取得重大进展，K.Siegbahn 建造了一台能测量电子动能的XPS仪器，其鉴别能力达10-15。三十多年的来，X射线光电子能谱无论在理论上和实验技术上都已获得了长足的发展。XPS已从刚开始主要用来对化学元素的定性分析，发展成为表面元素定性、半定量分析及元素化学价态分析的重要手段。XPS 的研究领域也不再局限于传统的化学分析，而扩展到现代迅猛发展的材料学科。目前该分析方法在日常表面分析工作中的份额约50%，是一种最主要的表面分析工具[3]。
在XPS 谱仪技术发展方面也取得了巨大的进展。在X射线源上，已从原来
的激发能固定的射线源发展到利用同步辐射获得X射线能量单色化并连续可调
的激发源；传统的固定式X 射线源也发展到电子束扫描金属靶所产生的可扫描
式X射线源；X射线的束斑直径也实现了微型化，最小的束斑直径已能达到6 mm大小，使得XPS在微区分析上的应用得到了大幅度的加强。图像XPS技术的发展，大大促进了XPS在新材料研究上的应用。在谱仪的能量分析检测器方面，也从传统的单通道电子倍增器检测器发展到位置灵敏检测器和多通道检测器，使
得检测灵敏度获得了大幅度的提高。计算机系统的广泛采用，使得采样速度和谱
图的解析能力也有了很大的提高。
3、 XPS仪器结构和工作原理[7]
XPS仪器主要由超高真空系统、进样系统、激发源、电子能量分析器和探测电子的监测器等几个部分组成。
3.1超高真空系统
在X射线光电子能谱仪中必须采用超高真空系统，主要是出于两方面的原因。首先，XPS是一种表面分析技术，如果分析室的真空度很差，在很短的时间内试样的清洁表面就可以被真空中的残余气体分子所覆盖。其次，由于光电子的信号和能量都非常弱，如果真空度较差，光电子很容易和真空中的残余气体分子发生碰撞作用而损失能量，最后不能到达检测器。在X射线光电子能谱仪中，为了使分析室的真空度能达到3×10-8Pa，一般采用三级真空泵系统。前级泵一般采用旋转机械泵或分子筛吸附泵，极限真空度能达到10-2Pa；采用油扩散泵或分子泵，可获得高真空，极限真空度能达到10-8Pa；而采用溅射离子泵和钛升华泵，可获得超高真空，极限真空度能达到10-9Pa。这几种真空泵的性能各有优缺点，可以根据各自的需要进行组合现在的新型X射线光电子能谱仪，普遍采用机械泵-分子泵-溅射离子泵-钛升华泵系列，这样可以防止扩散泵油污染清洁的超高真空分析室。
3.2 快速进样室
X射线光电子能谱仪多配备有快速进样室，其目的是在不破坏分析室超高真空的情况下能进行快速进样。快速进样室的体积很小，以便能在5～10分钟内能达到10-3 Pa的高真空。有一些谱仪，把快速进样室设计成样品预处理室，可以对样品进行加热，蒸镀和刻蚀等操作。
3.3 X射线激发源
在普通的XPS谱仪中，一般采用双阳极靶激发源。常用的激发源有Mg Kα X射线、光子能量为1253.6eV 和Al Kα X射线、光子能量为1486.6eV。没经单色化的X射线的线宽可达到0.8eV，而经单色化处理以后，线宽可降低到0.2 eV，并可以消除X射线中的杂线和韧致辐射。但经单色化处理后，X射线的强度大幅度下降。
3.4 离子源
在XPS中配备离子源的目的是对样品表面进行清洁或对样品表面进行定量剥离。在XPS谱仪中，常采用Ar离子源。Ar离子源又可分为固定式和扫描式。固定式Ar离子源由于不能进行扫描剥离，对样品表面刻蚀的均匀性较差，仅用作表面清洁。对于进行深度分析用的离子源，应采用扫描式Ar离子源。
3.5 能量分析器
X射线光电子的能量分析器有两种类型，半球型分析器和筒镜型能量分析器。 半球型能量分析器由于对光电子的传输效率高和能量分辩率好等特点，多用在XPS谱仪上。 而筒镜型能量分析器由于对俄歇电子的传输效率高，主要用在俄歇电子能谱仪上。对于一些多功能电子能谱仪，由于考虑到XPS和AES的共用性和使用的则重点，选用能量分析器主要依据那一种分析方法为主。以XPS为主的采用半球型能量分析器，而以俄歇为主的则采用筒镜型能量分析器。
3.6 计算机系统
由于X射线电子能谱仪的数据采集和控制十分复杂，商用谱仪均采用计算机系统来控制谱仪和采集数据。由于XPS数据的复杂性，谱图的计算机处理也是一个重要的部分。如元素的自动标识、半定量计算，谱峰的拟合和去卷积等
4、实验技术
4.1 样品的制备技术[5]
X射线能谱仪对分析的样品有特殊的要求，在通常情况下只能对固体样品进行分析。由于涉及到样品在真空中的传递和放置，待分析的样品一般都需要经过一定的预处理，分述如下：
4.1.1样品的大小
由于在实验过程中样品必须通过传递杆，穿过超高真空隔离阀，送进样品分析室。因此，样品的尺寸必须符合一定的大小规范，以利于真空进样。对于块状样品和薄膜样品，其长宽最好小于10mm，高度小于5 mm。对于体积较大的样品则必须通过适当方法制备成合适大小的样品。但在制备过程中，必须考虑处理过程可能对表面成分和状态的影响。
4.1.2 粉体样品
对于粉体样品有两种常用的制样方法。一种是用双面胶带直接把粉体固定在样品台上，另一种是把粉体样品压成薄片，然后再固定在样品台上。前者的优点是制样方便，样品用量少，预抽到高真空的时间较短，缺点是可能会引进胶带的成分。后者的优点是可以在真空中对样品进行处理，如加热，表面反应等，其信号强度也要比胶带法高得多。缺点是样品用量太大，抽到超高真空的时间太长。在普通的实验过程中，一般采用胶带法制样。
4.1.3 含有有挥发性物质的样品
对于含有挥发性物质的样品，在样品进入真空系统前必须清除掉挥发性物质。一般可以通过对样品加热或用溶剂清洗等方法。
4.1.4 表面有污染的样品
对于表面有油等有机物污染的样品，在进入真空系统前必须用油溶性溶剂如环己烷，丙酮等清洗掉样品表面的油污。最后再用乙醇清洗掉有机溶剂，为了保证样品表面不被氧化，一般采用自然干燥。
4.1.5 带有微弱磁性的样品
由于光电子带有负电荷，在微弱的磁场作用下，也可以发生偏转。当样品具有磁性时，由样品表面出射的光电子就会在磁场的作用下偏离接收角，最后不能到达分析器，因此，得不到正确的XPS谱。此外，当样品的磁性很强时，还有可能使分析器头及样品架磁化的危险，因此，绝对禁止带有磁性的样品进入分析室。一般对于具有弱磁性的样品，可以通过退磁的方法去掉样品的微弱磁性，然后就可以象正常样品一样分析。
4.2 离子束溅射技术
在X射线光电子能谱分析中，为了清洁被污染的固体表面，常常利用离子枪发出的离子束对样品表面进行溅射剥离，清洁表面。然而，离子束更重要的应用则是样品表面组分的深度分析。利用离子束可定量地剥离一定厚度的表面层，然后再用XPS分析表面成分，这样就可以获得元素成分沿深度方向的分布图。作为深度分析的离子枪，一般采用0.5～5 KeV的Ar离子源。扫描离子束的束斑直径一般在1～10mm范围，溅射速率范围为0.1～50 nm/min。为了提高深度分辩率，一般应采用间断溅射的方式。为了减少离子束的坑边效应，应增加离子束的直径。为了降低离子束的择优溅射效应及基底效应，应提高溅射速率和降低每次溅射的时间。在XPS分析中，离子束的溅射还原作用可以改变元素的存在状态，许多氧化物可以被还原成较低价态的氧化物，如Ti、Mo、Ta等。在研究溅射过的样品表面元素的化学价态时，应注意这种溅射还原效应的影响。此外，离子束的溅射速率不仅和离子束的能量和束流密度有关，还和溅射材料的性质有关。一般的深度分析所给出的深度值均是相对和某种标准物质的相对溅射速率
4.3 样品荷电的校准
对于绝缘体样品或导电性能不好的样品，经X射线辐照后，其表面会产生一定的电荷积累，主要是荷正电荷。样品表面荷电相当于给从表面出射的自由的光电子增加了一定的额外电压，使得测得的结合能比正常的要高。样品荷电问题非常复杂，一般难以用某一种方法彻底消除。在实际的XPS分析中，一般采用内标法进行校准。最常用的方法是用真空系统中最常见的有机污染碳的C1s的结合能为284.6 eV，进行校准。
4.4 XPS的采样深度
X射线光电子能谱的采样深度和光电子的能量和材料的性质有关。一般定义X射线光电子能谱的采样深度为光电子平均自由程的3倍。根据平均自由程的数据可以大致估计各种材料的采样深度。一般对于金属样品为0.5～2 nm，对于无机化合物为1～3 nm，而对于有机物则为3～10 nm。
5、 XPS分析技术在材料微分析中的应用：
5.1 表面元素定性分析[6]
5.1.1 定性分析依据
XPS产生的光电子的结合能仅和元素种类以及所激发的原子轨道有关。特定元素的特定轨道产生的光电子能量是固定的，依据其结合能可以标定元素；理论上可以分析除H，He以外的所有元素，并且是一次全分析。
5.1.2 定性分析方法
最常用的分析方法，一般利用XPS谱仪的宽扫描程序。为了提高定性分析的灵敏度，一般应加大通能，提高信噪比通常XPS谱图的横坐标为结合能，纵坐标为光电子的计数率。在分析谱图时，首先必须考虑消除荷电位移。对于金属和半导体样品几乎不会荷电，因此不用校准。对于绝缘样品，则必须进行校准。因为，当荷电较大时，会导致结合能位置有较大的偏移，导致错误判断。
5.1.3 XPS峰特征
（1）背底上叠加一系列谱峰，峰的束缚能是各元素的特征，直接代表原子轨道能级；
（2）构成背底的有轫致辐射引起的光电子发射及非弹性散射电子；
（3）本底随束缚能增加而升高。S电子是单峰，p、d、f电子产生双峰；
（4）在XPS中可以观察到几种类型的谱线。其中有些是XPS中所固有的，是永远可以观察到的；有些则依赖于样品的物理、化学性质；
（5）在XPS中，很多强的光电子谱线一般是对称的，并且很窄。但是，由于和价电子的耦合，纯金属的XPS谱也可能存在明显的不对称；
（6）谱线的峰宽一般是谱峰的自然线宽、X射线线宽和谱仪分辨率的卷积；
（7）高结合能端弱峰的线宽一般比低结合能端的谱线宽1~4 eV。绝缘体的谱线一般比导体的谱线宽05 eV。
另外，还必须注意携上峰，卫星峰，俄歇峰等这些伴峰对元素鉴定的影响。
一般来说，只要该元素存在，其所有的强峰都应存在，否则应考虑是否为其他元素的干扰峰。一般激发出来的光电子依据激发轨道的名称进行标记如C1s，Cu2p等[5]。
5.2 表面元素的半定量分析
XPS研究而言，并不是一种很好的定量分析方法。它给出的仅是一种半定量的分析结果，即相对含量而不是绝对含量。现代XPS提供以原子百分比含量和重量百分比含量来表示的定量数据[6]。
由于各元素的灵敏度因子是不同的，而且XPS谱仪对不同能量的光电子的传输效率也是不同的，并随谱仪受污染程度而改变，这时XPS给出的相对含量也和谱仪的状况有关。因此进行定量分析时，应经常较核能谱仪的状态。此外，XPS仅提供几个 nm厚的表面信息，其组成不能反映体相成分。样品表面的C, O污染以及吸附物的存在也会大大影响其定量分析的可靠性。
5.3 表面元素的化学价态分析
表面元素化学价态分析是XPS的最重要的一种分析功能，也是XPS谱图解析最难，比较容易发生错误的部分。在进行元素化学价态分析前，首先必须对结合能进行正确的校准。因为结合能随化学环境的变化较小，而当荷电校准误差较大时，很容易标错元素的化学价态。此外，有一些化合物的标准数据依据不同的作者和仪器状态存在很大的差异，在这种情况下这些标准数据仅能作为参考最好是自己制备标准样，这样才能获得正确的结果。有一些化合物的元素不存在标准数据，要判断其价态，必须用自制的标样进行对比。还有一些元素的化学位移很小，用XPS的结合能不能有效地进行化学价态分析，在这种情况下，可以从线形及伴峰结构进行分析，同样也可以获得化学价态的信息。
5.4 元素沿深度分析[6]
XPS可以通过多种方法实现元素组成在样品中的纵深分布。最常用的两种方法是Ar离子溅射深度分析和变角XPS深度分析。变角XPS深度分析是一种非破坏性的深度分析技术，只能适用于表面层非常薄（1~5 nm）的体系。其原理是利用XPS的采样深度和样品表面出射的光电子的接收角的正玄关系，可以获得元素浓度和深度的关系。取样深度d和掠射角α进入分析器方向的电子和样品表面间的夹角)的关系为：d = 3λsin(α)。当α为90°时，XPS的采样深度最深，减小α可以获得更多的表面层信息；当α为5°时，可以使表面灵敏度提高10倍。
6、结束语
本文介绍了X 射线光电子能谱（XPS）的分析原理、技术特点、研究进展、
分析仪器构成以及在材料研究中应用情况。为了准确、完整了解材料表面信息，仅采用一种分析方法是不够的，应采用多种分析手段，以期从不同角度分析表面特征，获得更完善的信息。

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