XPS測試原理

XPS測試原理：

XPS, 全稱為X-ray Photoelectron Spectroscopy(X射線光電子能譜)，是一種使用電子譜儀測量X-射線光子輻照時樣品表面所發(fā)射出的光電子和俄歇電子能量分布的方法。通過收集在入射X光作用下，從材料表面激發(fā)的電子能量、角度、強度等信息對材料表面進行定性、定量和結(jié)構(gòu)鑒定的表面分析方法。一般以Al、Mg作為X射線的激發(fā)源，俗稱靶材。

XPS的原理是用X射線去輻射樣品，使原子或分子的內(nèi)層電子或價電子受激發(fā)射出來。被光子激發(fā)出來的電子稱為光電子。可以測量光電子的能量，以光電子的動能/束縛能(binding energy，Eb=hv光能量-Ek動能-w功函數(shù))為橫坐標，相對強度(脈沖/s)為縱坐標可做出光電子能譜圖。從而獲得試樣有關(guān)信息。X射線光電子能譜因?qū)瘜W(xué)分析最有用，因此被稱為化學(xué)分析用電子能譜(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis)。

當單色的X射線照射樣品,具有一定能量的入射光子同樣品原子相互作用：

（1）光致電離產(chǎn)生光電子；（2）電子從產(chǎn)生之處遷移到表面；（3）電子克服逸出功而發(fā)射。用能量分析器分析光電子的動能,得到的就是X射線光電子能譜。

公式：

E(b)= hv-E(k)-W

E(b): 結(jié)合能（binding energy）

hv: 光子能量 （photo energy）

E(k): 電子的動能 （kinetic energy of the electron）

W: 儀器的功函數(shù)（spectrometer work function）

通過測量接收到的電子動能，就可以計算出元素的結(jié)合能。

鋁靶：hv=1486.6 eV

鎂靶：hv=1253.6 eV

XPS譜線中伴峰的來源：

振離(Shake-off): 多重電離過程（能量差為帶有一個內(nèi)層空穴離子基態(tài)的電離電位） A+hν=(A2+)*+2e-    正常：Ek(2P)=hν-Eb(2P)      振離：Ek’(2P)=hν-[Eb(2P)+Eb(3d)]

振激(Shake-up) :在X-ray作用下內(nèi)層電子發(fā)生電離而使外層電子躍遷到激發(fā)的束縛態(tài)導(dǎo)至發(fā)射光電子的動能減少。（能量差為帶有一個內(nèi)層空穴離子基態(tài)的電離電位）

能量損失(Energy loss): 由于光電子在穿過樣品表面時同原子（或分子）發(fā)生非彈性碰撞而引起的能量損失。

X射線伴線(X-ray statellites): X-ray不是單一的Ka，還有Ka1,2,3,4,5,6以及Kβ。(主要有Ka3,4構(gòu)成)多重分裂(Multiplet splitting):一般發(fā)生在基態(tài)有未成對電子的原子中。

俄歇電子(Auger electron): 當原子內(nèi)層電子光致電離而射出后，內(nèi)層留下空穴，原子處于激發(fā)態(tài)，這種激發(fā)態(tài)離子要向低能態(tài)轉(zhuǎn)化而發(fā)生弛豫，其方式可以通過輻射躍遷釋放能量，波長在X射線區(qū)稱為X射線熒光；或者通過非輻射躍遷使另一電子激發(fā)成自由電子，這種電子就稱為俄歇電子。對其進行分析能得到樣品原子種類方面的信息。

XPS譜圖中伴峰的鑒別：

在XPS中化學(xué)位移比較小，一般只有幾ev，要想對化學(xué)狀態(tài)作出鑒定，首先要區(qū)分光電子峰和伴峰）

光電子峰：在XPS中最強（主峰）一般比較對稱且半寬度最窄。

俄歇電子峰：Auger有兩個特征：    1.Auger與X-ray源無關(guān)，改變X-ray，Auger不變。     2.Auger是以譜線群的形式出現(xiàn)的。

振激和振離峰：振離峰以平滑連續(xù)     譜的形式出現(xiàn)在光電子主峰低動能的     一邊，連續(xù)譜的高動能端有一陡限。    振激峰也是出現(xiàn)在其低能端，比主峰 高幾ev，并且一條光電子峰可能有幾條振激伴線。

能量損失峰：其特點是隨X-ray的波動而波動。

多重分裂峰：多重分裂峰的相對強度等于終態(tài)的統(tǒng)計權(quán)重。如：Mn2+離子具有5個未成對電子，從Mn2+內(nèi)層發(fā)射一個s電子，其J值為（5/2+1/2）和 （5/2-1/2），其強度正比于（2J+1），即其分裂峰的相對強度為7 :5；

X-ray伴線產(chǎn)生的伴峰：X-ray的伴線能量比主線（Ka1,2）高，因此樣品XPS中光電子伴峰總是位于主峰的低結(jié)合能一端（如下圖所示），這也是X-ray伴線產(chǎn)生的伴峰不同于其    它伴峰的主要標志。

紫外光電子能譜分析（UPS—Ultra-violet photoelectron Spectroscopy）

XPS分析使用的光源陽極是Mg或Al，其能量分別是1487和1254eV。

(1)Mg/Al雙陽極X射線源能量范圍適中（Mg：1253.7，Al：1486.7eV）;(2)X射線的能量范圍窄（0.7和0.85 eV）能激發(fā)幾乎所有的元素產(chǎn)生光電子；(3)靶材穩(wěn)定，容易保存以及具有較高的壽命

UPS的光源為氦放電燈，能量為21.2或40.8eV，其能量只能夠激發(fā)出價帶電子，因此主要用于價帶分析。

深度剖面

分析用離子束濺射剝蝕表面,用X射線光電子譜進行分析,兩者交替進行, 可以得到元素及其化學(xué)狀態(tài)的深度分布。