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X射线光电子能谱(XPS)

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发表时间:2020-09-16 09:08作者:铄思百检测来源:铄思百检测

什么是X射线光电子能谱(XPS)

随着对高性能材料需求的不断增长,表面工程也显得越来越重要。材料的表面是材料与外部环境以及与其它材料相互作用的位置,因此只有了解材料层表面处或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。

表面改性可改变或改进材料性能和特性,因此需要使用表面分析来了解材料的表面化学和研究表面工程的效果。从不粘锅涂层到薄膜电子学和生物活性表面,X射线光电子能谱(XPS)成为表面材料表征的标准工具之一。

X射线光电子能谱(XPS)

X射线光电子能谱(XPS),也被称为化学分析电子能谱 (ESCA),是分析材料表面化学性质的一项技术。X射线光电子能谱(XPS)可测量材料中元素组成、经验公式、元素化学价态和电子态。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。通过对激发出的超过一定动能的电子进行计数,可以得到光电子谱。光电子谱中出现的谱峰为原子中发射的一定特征能量电子。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)。

表面表征

X射线光电子能谱(XPS)

表面层指不大于3个原子层厚度 (~1 nm)的薄层,根据不同材料,表面层厚度不同。不超过约10nm的薄层被称为超薄膜,而不超过1μm的薄层为薄膜。剩下的固体则被称为体相材料。但是名词术语并没有明确定义,随不同材料和应用,表面层、超薄膜和薄膜之间的差异有所变化。

表面表示一种相与另一种相之间的不连续性,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,一个原子在各方向上均被组成该材料的原子按一定规则包围。由于表面原子并不能在所有方向上被原子包围,表面原子比体内原子活泼,有可能成键。

表面特性

材料的性能和改性处理随深度或厚度而变化,这一点对于特定性能和改性处理十分重要。表面分析能帮助理解下列这些领域:

  • 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、航空电子设备

  • 润滑

  • 腐蚀

  • 氧化

  • 材料老化、失效

  • 合成纤维

  • 粘合剂

X射线光电子能谱(XPS)

在一些技术领域中,表面和表面分析较为重要,包括:

光电发射过程

原子或分子在吸收X射线光子时,会激发出电子。电子的动能(KE)依赖于光子能量(hν)和电子的结合能(BE)(即电子离开表面所需能量)。

X射线光电子能谱(XPS)
XPS 表面分析中的光电发射过程。 圆点代表电子,实线代表被分析材料中的能级。 该过程的表达式为: KE = hν - BE

通过测量发射电子的动能,可以确定材料近表面处的元素种类、元素化学态以及电子的结合能。结合能与许多因素有关,包括:

  • 发射电子的元素。

  • 发射电子的轨道。

  • 发射电子原子的化学环境。

由于光电子发射截面不依赖于原子化学环境,因此X射线光电子能谱(XPS)为一种定量分析技术。

光电子能谱技术

X射线光电子能谱(XPS)
氧化钡全谱,图中出现了钡和氧的多个峰以及一个碳峰

为了说明X射线光电子能谱(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一个表面杂质的碳峰。使用现代X射线光电子能谱(XPS)能谱仪,需要约 10 秒钟来采集这张氧化钡的谱。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。

X射线光电子能谱(XPS)
聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 旋涂和切片的 C 1s XPS 谱。 碳有 3 个不同的化学态。 内插图中给出了 PET 结构。 (谱图由英国 Daresbury RUSTI 的 G Beamson 博士提供)。

X射线光电子能谱(XPS)谱中也可以确定化学态。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中的碳原子有3种化学态,这通过X射线光电子能谱(XPS)谱中的3个峰显示了出来。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-)峰发生了微小移动。





以上是关于X射线光电子能谱(XPS)的相关介绍,更多测试需求请联系铄思百检测工程师。

文章分类: 科研设备
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