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X射线光电子能谱仪(XPS)的原理及应用

更新时间:2024-5-7 3:45:38 浏览量:
一)基本原理
XPS作为一种常见的表面分析技术,主要用来测试材料表面的元素及化学状态。利用X射线与样品间的光电效应,激发样品表面发射光电子,结合电子能量分析装置,测量光电子的数量、动能等信息,进而对元素进行定性和半定量分析。

XPS原理-剂拓科技

(图片来源于科研达人)

基于爱因斯坦的光电发射理论,入射源的能量等于光电子动能EK、结合能EB以及φ的和,φ可以被认为是一个可调节的仪器校正因子,大概几个eV,通过监测光子动能EK,入射光能量hv已知,即可确定样品表面原子的结合能。

典型的 XPS 光谱是在特定结合能下检测到的电子数量的图。每个元素都会产生一组特征 XPS 峰。这些峰对应于原子内电子的电子排布,例如 1s、 2s、 2p、 3s等。每个峰中检测到的电子数量与 XPS 采样中的元素含量直接相关。
XPS能谱图中,横坐标代表结合能,纵坐标电子探测器接收到的代表电子数。
单个元素产生的峰数量从 1个到超过20个不等。现代 XPS仪器中包含了结合能表,用于识别给定元素产生的每个峰的壳层和自旋轨道,并且可以在各种手册和网站。


由于实验确定的结合能是特定元素的特征,因此可以根据实验测量峰值直接识别具有材料中的元素。
(二)应用领域
可以识别材料中存在的元素(元素组成)或覆盖其表面的元素及其化学状态,以及材料中的整体电子结构和电子态密度。XPS是一种强大的测量技术,因为它不仅显示样品中存在哪些元素,还显示它们与其它元素的结合状态。
通常用于研究材料的原始状态或在裂解、切削、暴露于热、反应气体或溶液、紫外线后或在离子注入期间的化学过程。
XPS 通常用于分析无机化合物、金属合金、聚合物、元素、催化剂、玻璃、陶瓷、油漆、纸张、油墨、木材、植物组织、化妆品、牙齿、骨骼、医疗植入物、生物材料,涂料、粘性油、胶水、离子改性材料等。由于XPS的优势是分析固态物质,在分析水凝胶、生物样品等材料的水合形式等方面不太适用,解决方法是将它们在超纯环境中以水合状态冷冻,并忽略或允许分析前冰的少量升华。
(三)定量精度和准确度
物质组分定量分析需要使用经过认证(独立认证)的标准样品,定量精度取决于几个参数,例如:信噪比、峰值强度、相对灵敏度因子的精度、电子传输函数的校正、表面体积均匀性,以及分析过程中样品的降解程度。在最佳条件下,根据主要XPS 峰计算出的原子百分比 (at%) 值的定量准确度为每个峰90-95%。较弱 XPS 信号(其峰值强度为最强信号的10-20%)的定量精度为真实值的 60-80%。
(四)案例学习


(1)电化学原位 XPS
电化学原位 XPS 研究的优势之一在于能直接研究界面在电化学条件下的化学变化。如文献[1]中对负极界面进行原位 XPS 测试。