X射线光电子能谱解析

X射线光电子能谱分析

一、固体表面的分析

固体不同于气体、液体，不具有流动性，在一定应力的作用下也不会发生明显的形状改变。

固体的表面也与液体表面不同，不存在理想的平滑表面。固体表面厚度定义为5倍于原子或分子

的直径：对于原子结构的固体物质，铁、硅，表面约为1nm;对于分子结构的固体物质，如聚合

物，其表面是5倍单体的厚度，约为5〜10nm;实际测样中，有时指1个或几个原子层，有时指

厚度达微米级的表层。

大多数固体表面，在组分上或结构上都是和体内不一样的。（1）组分不同.对很多合金，某

些元素会在表面富集，称为表面偏析或分凝，掺杂生长的晶体也有这种现象。Cu-Ni合金中，在

表面20个原子层中Cu的含量是体内的5倍。表面还可以吸附外界的原子，而这些外来原子与体

内不同，不仅能在表面形成吸附层，还可以在表面生成化合物。（2）表面的排列与体内不同。

晶体中的原子处于有规律的周期性排列状态，而在表面这种周期突然中断，表面出现重构和驰

豫现象。重构指的是表面最外层原子的排列与体内不同。而驰豫指的是表面原子所处的力场与

体内原子不同，因此表面原子会发生相对于正常位置的上移或下移，以此来降低体系能量的现

象。晶体表面原子周期性的突然中断还会使表面出现各种缺陷，例如台阶、弯折、重位、凸沿

等等，而这些缺陷往往是吸附活性点，对催化等非常重要。（3）表面的电子结构与体内原子结

构不同。每个原子/离子在体内的都是有规律地排布，从空间上讲是电子处于一种平衡状态，而

表面原子从空间分布上至少是缺一个方向的平衡（面、棱、角），电子云的分布也不相同。因此，

表面的原子比体内原子活性更大。

由于表面和体内具有上述不同之点，使得表面许多物理、化学性质，如光学、电学、磁学、

热学、机械、化学活动性等性质与体内不同.对于表面的这些性质的研究能揭露一些表面现象的

本质。例如催化与表面吸附层和表面原子结构的关系等。其他还有表面钝化、活化、腐蚀、脆

性、发光等现象，因此对“表面”的研究，不仅是一种基础理论工作，而且其潜在的实际应用价

值也很大。

由于被分析的深度和侧向范围是如此浅薄和细微，被检测信号来自极小的采样体积，信息强度

十分微弱，重复性差，对分析系统的灵敏度要求也很高c所以，直到六十年代前后，随着超高真

空和电子技术的突破，才使表面分析技术迅速发展起来C

用一束“粒子”作为探针来探测样品表面，探针可以是电子、离子、光子、中性粒子、电场、

磁场、热或声波，在探针作用下，从样品表面发射或散射粒子或波，它们可以是电子、离子、

光子、中性粒子、电场、磁场、热或声波。检测这些发射粒子的能量、动量、荷质比、束流强

度等特征，或波的频率、方向、强度、偏振等情况，就可获得有关表面的信息.本文主要介绍X

射线光子作为探针的X射线光电子能谱（X-rayPhotoelectronSpectroscopy,XPS）分析方法。

二、X射线光电子能谱

2.1几个基本物理概念

2.1.1光电效应

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。即：A+hvA+*+c-.只有当光子能量（hv）大于临阈光子能量（hvO）时，即光解

离作用发生所需要的最小能量时，光电离作用才发生。其中卜丫0=£5+£1<+£],£1）是原子能级中电子的

电离能或结合能。Ek是出射光电子的动能。Er是发射光电子的反冲动能。

2o1o2光电离截面（。）

简单来说就是光电离作用的几率，或者说是某能级的电子对入射光子有效转移面积，也可以认

为是一定能量的光子与原子作用时，从某个能级激发出一个电子的几率。值得注意的是，临阈

光子能量hvO处，。越大。对于不同元素，同一壳层的。随原子序数增大而增大；而同一原子

的o值反比于轨道半径的平方，所以对于轻原子，1s比2s电子的激发概率要大20倍。

2.1.3电子平均自由程（入）

电子平均自由程（入）:指光电子在固体样品表面不发生非弹性碰撞时逸出的深度.电子能谱法

所能研究的信息深度d取决于逸出电子的平均自由程入.一般来说，电子能谱研究的信息深度

d=3入，在30nm以内。

2.2X射线光电子能谱发展历史

1877年，赫兹（heinrichRudoIfHertz）发现光电效应。

1907年，PoDoInne用半球磁场和感光板记录到不同速度电子。

1954年，瑞典乌普沙拉（Uppsala）大学的凯。西格班（KaiM。Siegbahn）领导的研究组

得到第一张XPS谱图。

1969年，凯。西格班和HP合作生产出第一台XPS仪器。发现了内层电子结合能的位移现象，解

决了电子能量分析的技术问题，测定了元素周期表中各元素的轨道结合能，从而测定固体表面的

电子结构和表面组分的化学成分

1981年，凯。西格班因对XPS的贡献获诺贝尔物理学奖。

2.3X射线光电子能谱分析基本原理

X射线光子的能量在1000〜150.eV之间，不仅可使分子的价电子电离而且也可以把内层电子激

发出来，内层电子的能级受分子环境的影响很小.同一原子的内层电子结合能在不同分子中相

差很小，故它是特征的。

对于固体样品，电子结合能是指原子中某个电子吸收了光子的全部能量后，克服原子核的束缚

到达样品的费米能级，这一过程消耗的能量，即电子能级与费米能级之差。所以X射线能量用

于：内层电子跃迁到费米能级，即克服该电子的结合能Eb和电子由费米能级进入真空成为静止

电子，即克服功函数（sa以及自由电子的动能Ek。实际上，当样品置于仪器中的样品架上时，样

品与仪器的费米能级是一致的，所以样品中电子只要克服仪器的费米能级到真空能级的功（仪

器的功函数（sp）即可变为真空中的静止电子。hv为实验时选用的X射线能量为已知；（sp是仪

器的功函数，是一定值,一般为4eV;通过精确测量光电子的动能Ek',即能计算出Eb。如图

2-1所示。由于不同原子的轨道电子结合能是一定的，据此就可以进行定性分析。

图2—1X射线光电子能谱分析原理示意图

2.4X射线光电子能谱图分析

2.4.1X射线光电子能谱图

以检测器单位时间内接收的光电子数（光电子强度）对电子结合能或光电子动能作图.如图2—2

所示，横轴为电子结合能，纵轴为光电子强度。X射线光电子是以以元素被激发电子所在能级命

名，如01s1/2,C2p1/2,AI2s1/2.对于S壳层的电子来说，不发生自旋分裂，在谙图上呈现单峰.

而对于p,d,f壳层的电子而言，则会由于其分裂为两个能级，在谱图上表现为双峰且两峰的面

积比一般为2p1/2：2p3/2=1：2；3d3/2：3d5/2=2：3；4f5/2：4f7/2=3：4O如图2—3所示。

【

n

e

】

s

w

n

o

。

6005004003002001000

BindinaEneravFeVl

图2-2典型的X射线光电子能谱图

7〜

AQ3dm

图2-3X射线光电子特征峰示例

X射线光电子能谱图一般有全扫描和窄扫描两部分谱图组成，一般定性分析首先进行全扫描（整

个X射线光电子能量范围扫描）以鉴定存在的元素；再对选择的谱峰进行窄扫描，以鉴定化学状

2o4.2谱图分析

XPS主要研究原子的内层电子结合能。内层电子不参与化学反应，保留了原子就道的特性，

因此其电子结合能具有特征性，不同元素原子可以产生完全分离的电子谱线，所以相邻元素的

识别也不会发生混淆。这样就可以对样品表面元素进行定性分析。

同时，XPS也可以对表面元素的化学价态进行分析.其依据的是化合物结构的变化和元素氧

化状态的变化引起谱峰有规律的位移。具体来说就是：内层电子一方面受到原子核强烈的库仑

作用而具有一定的结合能，另一方面又受到外层电子的屏蔽作用.当外层电子密度减少时，屏

蔽作用将减弱，内层电子的结合能增加；反之则结合能将减少。因此当被测原子的氧化价态增

加，或与电负性大的原子结合时，都导致其XPS峰将向结合能的增加方向位移.如图2—5所示。

图2-5Be,BeO.BeF2中Is也子光电子谱线的化学位移

X射线光电子能谱谱线强度反映原子的含量或相对浓度。测定谱线强度便可进行定量分析。X射

线光电子能谱可分析除氢、氮以外的所有元素，测量深度为几埃到几十埃，对多组分样品，元

素的检测限为0。1%（原子分数）。

2o4o3XPS谱中的伴峰

在XPS谱中，由于激发源的能量很高，可以激发出各种物理过程的电子。此外，在激发态的

退激发过程中，又可以发生各种复杂的退激发过程，释放出能量不同的各种电子。因此，在普通

的XPS谱中，还存在很多伴峰.而伴峰中也会包含一些对分析重要的信息.

一个处于基态的闭壳层（闭壳层指不存在未成对电子的电子壳层）原子光电离后，生成的离

子中必有一个未成对电子。若此未成对电子角量子数1>0,则必然会产生自旋一轨道偶合（相互

作用），使未考虑此作用时的能级发生能级分裂（对应于内量子数j的取值J=l+1/2和j=l-1/2

形成双层能级），从而导致光电子谱峰分裂；此称为自旋一轨道分裂。因此除s轨道能级外，p,

d轨道均出现双峰结构。

当X射线照射时，除了打出一个内层电子外，还有另一电子被激发到更高能级的束缚态。这

个激发是需要能量的，于是造成光电子动能的降低，在原光电子谱峰的低动能侧就会出现伴峰,

称为携上蜂。易出现携上峰的情况：具有未充满的d,f轨遒的过渡金属化合物和稀土化合物具有

不饱和侧链，或不饱和骨架的高聚物某些具有共朝电子体系的化合物。例如：在石墨中，由于C

原子以sp2杂化存在，并在平面方向形成共貌n键。这些共艇n键的存在可以在C1s峰的高能

端产生携上伴峰。这个峰是石墨的共朝n键的指纹特征峰，可以用来鉴别石墨碳。碳纳米管材

料的携上峰基本和石墨的一致，这说明碳纳米管材料具有与石墨相近的电子结构。在碳纳米管

中，碳原子主要以sp2杂化并形成圆柱形层状结构。C60材料的携上峰的结构与石墨和碳纳米管

材料的有很大的区别，可分解为5个峰，这些峰是由C60的分子结构决定的.在C60分子中，不

仅存在共轨n键，并还存在（键。因此，在携上峰中还包含了（键的信息。

当X射线照射时，除了打出一个内层电子外，还有另一电子被激发到连续的非束缚态（电离），

这就使光电子动能降低，但降低值是可连续的变化，引起主峰低能级出现连续平滑谱，类似一

个台阶，就好象本底提高，这种现象称为携下峰.有些性质不同的化合物，在主峰的化学位移上

未出现不同，而携下峰却有明显的区别。

在多种退激发途径中，最常见的退激发过程就是产生俄歌电子跃迁的过程，因此X射线激发俄

歌谱是光电子谱的必然伴峰。X射线激发的俄歌电子峰多以谱线群的形式出现.俄歌电子的动能

与激发源的能量无关。俄歇电子峰的能量也能反映化学位移效应。例如：C1s在石墨和碳纳米管

材料中，其结合能均为284.6eV;而在C60材料中，其结合能为284。75eV.由于C1s峰的结合

能变化很小，难以从C1s峰的结合能来鉴别这些纳米碳材料.但用俄歌伴峰可以区分不同形态的

碳材料。

2.5X射线光电子能谱分析的实验技术

2o5o1样品的前处理

射统光电子能谱仪对待分析的样品有特殊的要求，在通常情况下只能对固体样品进行分析。

由于涉及到样品在超高真空中的传递和分析，待分析的样品一般都需要经过一定的预处理。主要

包括样品的大小，粉体样品的处理，挥发性样品的处理，表面污染样品及带有微弱磁性的样品

的处理.

粉体样品有两种制样方法，一种是用双面胶带直接把粉体固定在样品台上，另一种是把粉

体样品压成薄片，然后再固定在样品台上。前者的优点是制样方便，样品用量少，预抽到高真

空的时间较短，缺点是可能会引进胶带的成分。在普通的实验过程中，一般采用胶带法制样。

后者的优点是可在真空中对样品进行处理，如原位反应等，其信号强度也要比胶带法高得多。缺

点是样品用量太大，抽到超高真空的时间太长.

对于含有挥发性物粉体样品有两种制样方法，一种是用双面胶带直接把粉体固定在样品台

上，另一种是把粉体样品压成薄片，然后再固定在样品台上。

前者的优点是制样方便，样品用量少，预抽到高真空的时间较短，缺点是可能会引进胶带

的成分。在普通的实验过程中，一般采用胶带法制样。

后者的优点是可在真空中对样品进行处理，如原位反应等，其信号强度也要比胶带法高得

多。缺点是样品用量太大，抽到超高真空的时间太长质的样品，在样品进入真空系统前必须清

除掉挥发性物质。一般可以通过对样品加热或用溶剂清洗等方法。在处理样品时，应该保证样

品中的成份不发生化学变化。

对于表面有油等有机物污染的样品，在进入真空系统前必须用油溶性溶剂如环己烷，丙酮等清

洗掉样品表面的油污。最后再用乙醇清洗掉有机溶剂，对于无机污染物，可以采用表面打磨以

及离子束溅射的方法来清洁样品。为了保证样品表面不被氧化，一般采用自然干燥。

由于光电子带有负电荷，在微弱的磁场作用下，也可以发生偏转。当样品具有磁性时，由样品

表面出射的光电子就会在磁场的作用下偏离接收角，最后不能到达分析器，因此，得不到正确

的XPS谱。此外，当样品的磁性很强时，还有可能使分析器头及样品架磁化的危险，因此，绝对

禁止带有磁性的样品进入分析室.一般对于具有弱磁性的样品，可以通过退磁的方法去掉样品

的微弱磁性，然后就可以象正常样品一样分析。

2.5o2离子束溅射技术

在X射线光电子能谱分析中，为了清洁被污染的固体表面，常常利用离子枪发出的离子束对样

品表面进行溅射剥离，清洁表面。离子束更重要的应用则是样品表面组分的深度分析。利用离

子束可定量地剥离一定厚度的表面层，然后再用XPS分析表面成分，这样就可以获得元素成分

沿深度方向的分布图，即深度剖析。

作为深度分析的离子枪，一般采用0.5~5KeV的Ar离子源。扫描离子束的束斑直径一般在1〜

10mm范围，溅射速率范围为0.1〜50nm/min.深度分析指的是：用离子枪打击材料的表面，这

样可以不断地打击出新的下表面，通过连续测试，循序渐进就可以做深度分析，得到沿表层到

深层元素的浓度分布。

2o5.3样品的荷电及消除

对于绝缘体样品或导电性能不好的样品，经X射线辐照后，其表面会产生一定的电荷积累，

主要是荷正电荷。荷正电的主要原因是光电子出射后，在样品表面积累的正电荷不能得到电子

的补充所引起的。样品表面荷电相当于给从表面出射的自由的光电子增加了一定的额外电场，

使得测得的结合能比正常的要高。

克服荷电效应的方法有：把样品制成尽可能薄的薄片；把非导赴样品与导电样品紧密混合;

在样品表面蒸镀极薄的导电层；在样品室安装低能电子中和枪。

三、X射线光电子能谱的特点总结

(1)固体样品用量小，不需要进行样品前处理，从而避免了引入或丢失元素所造成的误分析。

(2)表面灵敏度高，一般信息深度＜10nm。

(3)分析速度快，可多元素同时测定。

(4)