XPS的原理及應(yīng)用干貨

X光電子能譜分析的基本原理是用X射線去輻射樣品，使之和待測物質(zhì)發(fā)生作用，使待測物質(zhì)原子中的電子脫離原子激發(fā)出來成為自由電子。稱為光電子。該過程可用下式表示: hn=Ek+Eb+W（hn：X光子的能量；Ek：光電子的能量；Eb：電子的結(jié)合能；W：功函數(shù)即電子逸出晶體表面所做的功）。

以光電子的動能為橫坐標(biāo)，相對強(qiáng)度（脈沖/s）為縱坐標(biāo)可作出光電子能譜圖，即可獲得樣品有關(guān)信息。這是因?yàn)閮x器材料的功函數(shù)W是一個定值，且入射X光子能量已知，這樣，通過儀器測出電子的動能Ek，便可得到固體樣品電子的結(jié)合能。而各種原子，分子的軌道電子結(jié)合能是一定的，因此，就可以了解樣品中元素的組成。元素所處的化學(xué)環(huán)境不同，其結(jié)合能會有微小的差別，隨著該原子所在分子的不同，該給定內(nèi)殼層電子的光電子峰會有位移稱為化學(xué)位移，測量化學(xué)位移可以確定原子所處的狀態(tài)和化學(xué)鍵的情況。例如某元素得到電子成為負(fù)離子，其結(jié)合能會減少，如果失去電子成為正離子，則結(jié)合能會升高。因此，利用化學(xué)位移值可以分析元素的化合價和存在形式。

對固體樣品的元素成分進(jìn)行定性、定量或半定量及價態(tài)分析。固體樣品表面的組成、化學(xué)狀態(tài)分析，廣泛應(yīng)用于元素分析、多相研究、化合物結(jié)構(gòu)鑒定、富集法微量元素分析、元素價態(tài)鑒定。此外在對氧化、腐蝕、摩擦、潤滑、燃燒、粘接、催化、包袱等微觀機(jī)理研究；污染化學(xué)、塵埃粒子研究等的環(huán)保測定；分子生物化學(xué)以及三維剖析如界面及過渡層的研究等方面有所應(yīng)用。

（2）它提供有關(guān)化學(xué)鍵方面的信息，即直接測量價層電子及內(nèi)層電子軌道能級。而相鄰元素的同種能級的譜線相隔較遠(yuǎn)，相互干擾少，元素定性的標(biāo)識性強(qiáng)。

（3）是一種無損分析。

（4）是一種高靈敏超微量表面分析技術(shù)。分析所需試樣約 10-8g 即可，絕對靈敏度高達(dá) 10-18g ，樣品分析深度約 2nm。

各種元素都有它的特征的電子結(jié)合能，因此在能譜圖中就出現(xiàn)特征譜線，可以根據(jù)這些譜線在能譜圖中的位置來鑒定周期表中除 H和He以外的所有元素。通過對樣品進(jìn)行全掃描，在一次測定中就可以檢出全部或大部分元素。

( 2 )元素定量分折

既可測定元素的相對濃度，又可測定相同元素的不同氧化態(tài)的相對濃度。X 射線光電子能譜定量分析的依據(jù)是光電子譜線的強(qiáng)度(光電子峰的面積)反映了原子的含量或相對濃度。在實(shí)際分析中，采用與標(biāo)準(zhǔn)樣品相比較的方法來對元素進(jìn)行定量分析，其分析精度達(dá)1%～2%。

( 3 )固體表面分析

固體表面是指最外層的 1～10個原子層，其厚度大概是 (0.1~1) nm 。人們早已認(rèn)識到在固體表面存在有一個與團(tuán)體內(nèi)部的組成和性質(zhì)不同的相。表面研究包括分析表面的元素組成和化學(xué)組成，原子價態(tài)，表面能態(tài)分布。測定表面原子的電子云分布和能級結(jié)構(gòu)等。

( 4 )化合物結(jié)構(gòu)鑒定

X 射線光電子能譜法對于內(nèi)殼層電子結(jié)合能化學(xué)位移的精確測量，能提供化學(xué)鍵和電荷分布方面的信息。