X射线光电子能谱

X射线光电子能谱是分析物质表面化学性质的一项技术。XPS可测量材料中元素组成、经验公式、元素化学态和电子态。用一束X射线激发固体表面，同时测量被分析材料表面1－10nm内发射出电子的动能，而得到XPS谱。光电子谱记录超过一定动能的电子。光电子谱中出现的谱峰为原子中一定特征能量电子的发射。光电子谱峰的能量和强度可用于定性和定量分析所有表面元素（氢元素除外）。

随着对高性能材料需求的不断增长，表面工程随之显得越来越重要。只有了解材料层表面处和界面处的物理和化学相互作用，才能解决许多与现代材料相关的问题。 表面化学特性将影响材料的诸多方面，如腐蚀速率、催化活性、粘合性、表面润湿性、接触势垒和失效机理。

材料的表面是材料与外部环境及与其它材料相互作用的位置。所以，在许多应用领域中，用表面修饰改变或改进材料性能和特性。材料经处理（如断裂、切割或刮削）后，XPS可用于分析其化学特性。从不粘锅涂层到薄膜电子学和生物活性表面，XPS成为表面材料表征的标准工具

1 表面表征

表面层定义为大于3个原子层厚度（~1 nm），根据不同材料，表面层厚度不同。认为不超过约10纳米表面层为超薄层薄膜，不超过1μm为薄膜。但是名词术语并没有明确定义，随不同材料和应用，表面层、超薄膜和薄膜之间差异有所变化。

表面表示一种相与另一种相之间的不连续，所以表面的物理化学性质与体相物质不同。这种差异在很大程度上影响材料最顶部原子层。在材料内部按一定规则一个原子在各方向上被材料中的原子包围。由于表面原子并不能在所有方向上被原子包围，表面原子比体内活泼，有可能成键。

2 表面特性

材料的性能和改性处理随深度或厚度而变化，对于一定性能和改性处理，随深度变化显得比较重要。表面分析可深入到每一个领域。

在一些工艺技术领域中表面和表面分析较为重要，包括：

半导体、微电子学、微电路、超薄膜

线路板软焊、清洁处理、薄膜稳定、钝化层

润滑、化工、塑料、涂层、催化剂、

纤维、金属钢铁工业、氮化、碳化

腐蚀、焊接、材料老化、晶界分凝

玻璃、涂层、发动机、电子设备

润滑、腐蚀、氧化、材料老化

失效、合成纤维、粘合剂

3 光电发射过程

原子或分子吸收X射线光子，电子被激发出来。光电子动能依赖于光子能量(hν)和电子结合能（即电子离开表面所需能量）。

通过测量发射电子的动能，计算电子结合能，确定材料的近表面处元素及其化学态。结合能与许多因素有关，包括：

（1）发射电子的元素

（2）发射电子的轨道

（3）发射电子原子的化学环境

由于光电子发射截面不依赖与原子化学环境，因此XPS为一种定量分析技术。

The photoemission process involved for XPS surface analysis. The discs represent electrons and the bars represent energy levels within the material being analyzed. The equation governing the process is: KE = hν - BE

4 光电子能谱技术

为了说明XPS谱，在宽能量范围内扫描了一张氧化钡的全谱。在这张谱上有多个钡和氧的峰以及表面杂质碳峰。用现代XPS能谱仪，这张氧化钡的谱采集约10秒钟。由于氧化钡为绝缘体，在分析期间，在样品上导入一束低能电子控制样品荷电。在谱图中谱峰下方出现了明显的背景，这是由于电子在逃逸样品前发生非弹性散射所致。这种非弹性散射降低了电子的动能和谱峰的强度。定量分析谱之前必须扣除背景。

Survey spectrum from barium oxide showing various barium and oxygen peaks and a carbon peak. 氧化钡全谱，图中出现了钡和氧的多个峰和碳峰。

从XPS谱中也可以确定化学价态。 此处给出两种方法处理聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的C1s XPS谱。这两个样品的处理方法不同，一个是旋涂，另一个是切片PET。PET中的碳原子出现了3种化学态。两种处理方法导致了不同的聚合物构形，也影响了XPS谱使得（－O－C－）峰发生微小移动。

聚对苯二甲酸乙二醇酯（ PET ）旋涂和切片的 C1s 的 XPS 谱。碳有 3 个不同的化学态。内插图中给出了 PET 结构。（英国 Daresbury RUSTI, G Beamson 提供谱）