測試儀器：X射線光電子能譜儀（XPS）

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發(fā)表時(shí)間：2019-12-16 10:49作者：武漢鑠思百檢測技術(shù)有限公司來源：鑠思百檢測

測試儀器之X射線光電子能譜儀

簡介：X射線光電子能譜儀，簡稱：XPS,是一種表面分析技術(shù)，可以提供元素的定性、半定量、化學(xué)成像、表面價(jià)態(tài)、深度剖析等信息。適用于化學(xué)、化工、高分子、材料、環(huán)境、生物、醫(yī)學(xué)、藥學(xué)、農(nóng)學(xué)、地質(zhì)、食品、生命科學(xué)等

X射線光電子能譜儀（XPS）儀器圖片.jpg

X射線光電子能譜儀(XPS測試)-全譜分析
1. 什么時(shí)候需要進(jìn)行全譜分析（XPS survey）？全譜分析的目的是什么？
全譜分析一般用來說明樣品中是否存在某種元素。比較極端的，對于某一化學(xué)成分完全未知的樣品，可以通過XPS全譜分析來確定樣品中含有哪些元素（H和He除外）。
而更多情況下，人們采用已知成分的原料來合成樣品，然后通過XPS全譜來確定樣品中到底含有哪些元素；或者對某一已知成分的樣品進(jìn)行某種處理（摻雜或者脫除），然后通過XPS全譜分析來確定元素組成，最終證實(shí)這種處理手段的有效性。

2. 全譜分析有何不足之處？
全譜分析所得到的信號(hào)比較粗糙，只是對元素進(jìn)行粗略的掃描，確定元素有無以及大致位置。對于含量較低的元素而言，信噪比很差，不能得到非常精細(xì)的譜圖。通常，全譜分析只能得到表面組成信息，得不到準(zhǔn)確的元素化學(xué)態(tài)和分子結(jié)構(gòu)信息等。

XPS譜圖中有哪些重要的譜線結(jié)構(gòu)？具體是什么？
XPS譜圖一般包括光電子譜線，衛(wèi)星峰（伴峰），俄歇電子譜線，自旋-軌道分裂(SOS)等

a. 光電子譜線：每一種元素都有自己特征的光電子線，它是元素定性分析的主要依據(jù)。譜圖中強(qiáng)度最大、峰寬最小、對稱性最好的譜峰，稱為XPS的主譜線。

光電子能譜儀.jpg

實(shí)例說明二：上圖為Mg陽極X射線激發(fā)的C1s主峰（α1,2）及伴峰（α3,4,5和β）。從圖中可以看出，主峰的強(qiáng)度比伴峰要強(qiáng)很多。

b. 衛(wèi)星峰（伴峰）：常規(guī)Ｘ射線源(Al/Mg Kα1,2)并非是單色的，而是還存在一些能量略高的小伴線（Kα3,4,5和Kβ等），所以導(dǎo)致XPS中，除Kα1,2所激發(fā)的主譜外，還有一些小的伴峰。

c. 俄歇電子譜線：電子電離后，芯能級(jí)出現(xiàn)空位，弛豫過程中若使另一電子激發(fā)成為自由電子，該電子即為俄歇電子。俄歇電子譜線總是伴隨著XPS，但具有比XPS更寬更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，多以譜線群的方式出現(xiàn)。特征：其動(dòng)能與入射光ｈν無關(guān)。

d. 自旋-軌道分裂(SOS)：由于電子的軌道運(yùn)動(dòng)和自旋運(yùn)動(dòng)發(fā)生耦合后使軌道能級(jí)發(fā)生分裂。對于l＞0的內(nèi)殼層來說，用內(nèi)量子數(shù)j（j=｜l±m(xù)s｜）表示自旋軌道分裂。即若l=0 則j=1/2；若l=1則j=1/2或3/2。除s亞殼層不發(fā)生分裂外，其余亞殼層都將分裂成兩個(gè)峰。

XPS全譜分析與EDS有何異同？
a. EDS與XPS的相同點(diǎn)：兩者均可以用于元素的定性和定量檢測。

b. EDS與XPS的不同點(diǎn)：
1) 基本原理不一樣: 簡單來說，XPS是用X射線打出電子，檢測的是電子；EDS則是用電子打出X射線，檢測的是X射線。
2) EDS只能檢測元素的組成與含量，不能測定元素的價(jià)態(tài)，且EDX的檢測限較高（含量＞2%），即其靈敏度較低。而XPS既可以測定表面元素和含量，又可以測定表其價(jià)態(tài)。XPS的靈敏度更高，最低檢測濃度＞0.１％。
3) 用法不一樣：EDS常與SEM，TEM聯(lián)用，可以對樣品進(jìn)行點(diǎn)掃，線掃，面掃等，能夠比較方便地知道樣品的表面（和SEM聯(lián)用）或者體相（和TEM聯(lián)用）的元素分布情況；而XPS則一般獨(dú)立使用，對樣品表面信息進(jìn)行檢測，可以判定元素的組成，化學(xué)態(tài)，分子結(jié)構(gòu)信息等。

備注：EDS或EDX指能量色散X射線光譜儀，全稱為EnergyDispersive X-ray Spectroscopy。

化合物中元素化學(xué)態(tài)與結(jié)構(gòu)分析——窄區(qū)掃描（高分辨譜）
1. 什么叫荷電校正？為什么需要進(jìn)行荷電校正？
當(dāng)用XPS測量絕緣體或者半導(dǎo)體時(shí)，由于光電子的連續(xù)發(fā)射而得不到電子補(bǔ)充，使得樣品表面出現(xiàn)電子虧損，這種現(xiàn)象稱為“荷電效應(yīng)”。荷電效應(yīng)將使樣品表面出現(xiàn)一穩(wěn)定的電勢Vs，對電子的逃離有一定束縛作用。因此荷電效應(yīng)將引起能量的位移，使得測量的結(jié)合能偏離真實(shí)值，造成測試結(jié)果的偏差。在用XPS測量絕緣體或者半導(dǎo)體時(shí)，需要對荷電效應(yīng)所引起的偏差進(jìn)行校正（荷電校正的目的），稱之為“荷電校正”。

2. 如何進(jìn)行荷電校正？
最常用的，人們一般采用外來污染碳的C1s作為基準(zhǔn)峰來進(jìn)行校準(zhǔn)。以測量值和參考值(284.8eV)之差作為荷電校正值(Δ)來矯正譜中其他元素的結(jié)合能。

具體操作：1) 求取荷電校正值：C單質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)峰位(一般采用284.8 eV)-實(shí)際測得的C單質(zhì)峰位=荷電校正值Δ；2)采用荷電校正值對其他譜圖進(jìn)行校正：將要分析元素的XPS圖譜的結(jié)合能加上Δ，即得到校正后的峰位（整個(gè)過程中XPS譜圖強(qiáng)度不變）。
將校正后的峰位和強(qiáng)度作圖得到的就是校正后的XPS譜圖。

3. 如何通過高分辨譜判定樣品中某種元素的價(jià)態(tài)？
高分辨譜定性分析元素的價(jià)態(tài)主要看兩個(gè)點(diǎn)：1）可以對照標(biāo)準(zhǔn)譜圖值（NIST數(shù)據(jù)庫或者文獻(xiàn)值）來確定譜線的化合態(tài)；2）對于p,d,f等具有雙峰譜線的（自旋裂分），雙峰間距也是判斷元素化學(xué)狀態(tài)的一個(gè)重要指標(biāo)。

4. 高分辨譜的其他常見用途
實(shí)際上，多數(shù)情況下，人們關(guān)心的不僅僅是表面某個(gè)元素呈幾價(jià)，更多的是對比處理前后樣品表面元素的化學(xué)位移變化，通過這種位移的變化來說明樣品的表面化學(xué)狀態(tài)或者是樣品表面元素之間的電子相互作用。

一般，某種元素失去電子，其結(jié)合能會(huì)向高場方向偏移，某種元素得到電子，其結(jié)合能會(huì)向低場方向偏移，對于給定價(jià)殼層結(jié)構(gòu)的原子,所有內(nèi)層電子結(jié)合能的位移幾乎相同. 這種電子的偏移偏向可以給出元素之間電子相互作用的關(guān)系。

XPS測試制樣要求

1.粉末測試需要量一般不小于0.2ml或者10mg，樣品需干燥;

2.固體樣品尺寸塊狀5*5mm，厚度盡量低于4mm，表面須平整，樣品需干燥;

3.液體樣須滴在鋁箔或者硅片等載體上烘干形成液膜，一般重復(fù)3-5次烘干滴液差不多即可測不到基底;

4.材料必須是無放射性、無毒性、無揮發(fā)性物質(zhì)(如單質(zhì)Na, K, S, P, Zn, Se, As, I, Te, Hg等);

5.磁性樣品(可以測試)請送樣時(shí)告知;

6.元素窄譜如果有特殊要求請備注，如果沒有特殊說明，默認(rèn)測試最強(qiáng)峰，如果最強(qiáng)峰和其他元素的峰有重疊，默認(rèn)測試次強(qiáng)峰。需要掃特殊峰請備注。

7.小于1%的元素可能測不出明顯信號(hào)；

8.普通樣品測試一般包括一個(gè)全譜和含碳的五個(gè)以內(nèi)單元素精細(xì)譜；超過五個(gè)元素的按每個(gè)元素加收費(fèi)用；樣品不提供數(shù)據(jù)分析處理，如需要分析處理加收費(fèi)用；

9.其他問題和特殊測試要求可在線溝通。

鑠思百檢測動(dòng)態(tài)

武漢鑠思百檢測簡介

武漢鑠思百檢測，是華中地區(qū)專業(yè)的第三方檢測平臺(tái)，提供材料檢測服務(wù)，常規(guī)測試3-5個(gè)工作日出檢測結(jié)果，鑠思百檢測專業(yè)的實(shí)驗(yàn)室儀器，專業(yè)科研團(tuán)隊(duì)碩博測試工程師90%，鑠思百檢測，堅(jiān)持“恪守信譽(yù)、質(zhì)量第一、客戶第一”