X射線光電子能譜(XPS)

什么是X射線光電子能譜(XPS)？

隨著對高性能材料需求的不斷增長，表面工程也顯得越來越重要。材料的表面是材料與外部環(huán)境以及與其它材料相互作用的位置，因此只有了解材料層表面處或界面處的物理和化學(xué)相互作用，才能解決許多與現(xiàn)代材料相關(guān)的問題。表面將影響材料的諸多方面，如腐蝕速率、催化活性、粘合性、表面潤濕性、接觸勢壘和失效機(jī)理。

表面改性可改變或改進(jìn)材料性能和特性，因此需要使用表面分析來了解材料的表面化學(xué)和研究表面工程的效果。從不粘鍋涂層到薄膜電子學(xué)和生物活性表面，X射線光電子能譜(XPS)成為表面材料表征的標(biāo)準(zhǔn)工具之一。

X射線光電子能譜(XPS)，也被稱為化學(xué)分析電子能譜 (ESCA)，是分析材料表面化學(xué)性質(zhì)的一項(xiàng)技術(shù)。X射線光電子能譜(XPS)可測量材料中元素組成、經(jīng)驗(yàn)公式、元素化學(xué)價(jià)態(tài)和電子態(tài)。用一束X射線激發(fā)固體表面，同時(shí)測量被分析材料表面1-10nm內(nèi)發(fā)射出電子的動(dòng)能，而得到XPS譜。通過對激發(fā)出的超過一定動(dòng)能的電子進(jìn)行計(jì)數(shù)，可以得到光電子譜。光電子譜中出現(xiàn)的譜峰為原子中發(fā)射的一定特征能量電子。光電子譜峰的能量和強(qiáng)度可用于定性和定量分析所有表面元素（氫元素除外）。

表面表征

表面層指不大于3個(gè)原子層厚度 (~1 nm)的薄層，根據(jù)不同材料，表面層厚度不同。不超過約10nm的薄層被稱為超薄膜，而不超過1μm的薄層為薄膜。剩下的固體則被稱為體相材料。但是名詞術(shù)語并沒有明確定義，隨不同材料和應(yīng)用，表面層、超薄膜和薄膜之間的差異有所變化。

表面表示一種相與另一種相之間的不連續(xù)性，所以表面的物理化學(xué)性質(zhì)與體相物質(zhì)不同。這種差異在很大程度上影響材料最頂部原子層。在材料內(nèi)部，一個(gè)原子在各方向上均被組成該材料的原子按一定規(guī)則包圍。由于表面原子并不能在所有方向上被原子包圍，表面原子比體內(nèi)原子活潑，有可能成鍵。

表面特性

材料的性能和改性處理隨深度或厚度而變化，這一點(diǎn)對于特定性能和改性處理十分重要。表面分析能幫助理解下列這些領(lǐng)域：

• 半導(dǎo)體、微電子學(xué)

• 微電路

• 超薄膜

• 線路板軟焊

• 清潔處理

• 薄膜穩(wěn)定

• 鈍化層

• 潤滑

• 化工

• 塑料、涂層

• 催化劑

• 纖維

• 金屬、鋼鐵工業(yè)

• 氮化、碳化

• 腐蝕

• 焊接

• 材料老化

• 晶界分凝

• 玻璃

• 涂層

• 發(fā)動(dòng)機(jī)、航空電子設(shè)備

• 潤滑

• 腐蝕

• 氧化

• 材料老化、失效

• 合成纖維

• 粘合劑

在一些技術(shù)領(lǐng)域中，表面和表面分析較為重要，包括：

光電發(fā)射過程

原子或分子在吸收X射線光子時(shí)，會(huì)激發(fā)出電子。電子的動(dòng)能(KE)依賴于光子能量(hν)和電子的結(jié)合能(BE)（即電子離開表面所需能量）。

XPS 表面分析中的光電發(fā)射過程。 圓點(diǎn)代表電子，實(shí)線代表被分析材料中的能級。 該過程的表達(dá)式為： KE = hν - BE

光電子能譜技術(shù)

氧化鋇全譜，圖中出現(xiàn)了鋇和氧的多個(gè)峰以及一個(gè)碳峰。

聚對苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 旋涂和切片的 C 1s XPS 譜。 碳有 3 個(gè)不同的化學(xué)態(tài)。 內(nèi)插圖中給出了 PET 結(jié)構(gòu)。 （譜圖由英國 Daresbury RUSTI 的 G Beamson 博士提供）。