X射线光电子能谱分析

X射线光电子能谱(XPS)也称为化学分析用电子能谱(ESCA),该方法是在20世纪60年代由瑞典科学家Kai Siegbahn教授发展起来的。由于在光电子能谱的理论和技术上的重大贡献,1981年,Kai Siegbahn教授获得了诺贝尔物理学奖。

现在,X射线光电子能谱无论在理论上河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科学。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。

X射线光电子能谱基于光电离作用,当一束光子辐照到样品表面时,光子可以被样品中某一元素的原子轨道上的电子所吸收,使得该电子脱离原子核的束缚,以一定的动能从原子内部发射出来,变成自由的光电子,而原子本身则变成一个激发态的离子。

在普通的X射线光电子能谱仪中,一般采用的MgK和AlK X射线作为激发源,光子的能量足够促使除氢、氦以外的所有元素发生光电离作用。由此可见,XPS技术是一种可以对所有元素进行一次全分析的方法,这对于未知物的定性分析是非常有效的。经X射线辐照后,从样品表面射出的光电子的强度是与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与原子的浓度有关,还与光电子的平均自由程、样品的表面粗糙度、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与元素种类有关,还与元素在物质中的存在状态、仪器的状态有一定关系,因此不经校准测得的相对含量也会存在很大的误差。还需指出的是,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表面采样深度为2.0～5.0 nm,他提供的仅是表面上的元素含量,与体相成分会有很大差别,而其采样深度与材料性质、光电子的能量有关,也同样品表面和分析器的角度有关。

X射线光电子能谱仪主要由5部分组成:激发源、样品、电子能量分析器、检测系统(含电子倍增器)和超高真空(UHV)系统。激发源辐照样品,使之发射出不同能量分布的电子,然后经电子能量分析器分析,由检测系统给出测试结果,整个系统需要一个超高真空系统。