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XPS在表面分析中的应用 5120519047 郭翔宇 （上海交通大学 材料科学与工程学院） 摘要：XPS技术是一种能够分析样品表面元素组成的技术，用X射线撞击样品表面，收集激发出来的电子，统计其数量和能量，得到元素种类、含量、价态等信息，进一步可以推断出表面分子构成，以及分子结构。目前，XPS已经广泛应用到化学、材料科学等方面，为人类认识自然立下了汗马功劳。本文举例分析了其应用并与EDS做了对比。 关键词：XPS原理、XPS定性分析、XPS定量分析、EDS、应用实例。 引言：表面分析技术中，XPS是一种能够分析材料表面元素组成的技术，方便快捷，已经得到了广泛地应用。XPS的原理是用X射线去辐射样品，使原子或分子的内层电子或价电子受激发射出来。被光子激发出来的电子称为光电子。可以测量光电子的能量，以光电子的动能/束缚能 （binding energy）为横坐标，相对强度（脉冲/s）为纵坐标可做出光电子能谱图。从而获得试样有关信息。X射线光电子能谱因对化学分析最有用，因此被称为化学分析用电子能谱（Electron Spectroscopy for Chemical Analysis，简称ESCA）。【1】 图一 XPS原理简图 图二 XPS实物图 XPS的应用主要包括以下几个方面： 1元素的定性分析。可以根据能谱图中出现的特征谱线的位置鉴定除H、He以外的所有元素。 固体表面的化学组成或元素组成，原子价态，表面能态分布，测定表面电子的电子云分布和能级结构等。 4化合物的结构。可以对内层电子结合能的化学位移精确测量，提供化学键和电荷分布方面的信息。 本文将举例说明XPS在表面分析领域中的应用。 XPS在表面元素定性分析中的应用 XPS谱线的变化能够反映出物体表面元素的种类，这样，通过样品与标准谱的对比计算就能够定性地分析样品表面元素的组成。 例一．这个例子是用XPS检验被海水污染的马口铁表面元素的组成。【3】海运是当前货物运输的重要手段之一。在海运过程中, 海水浸泡货物的事件是不可避免的。海水对浸泡货物的污染也是不言而喻。那么, 在海水蒸汽下一些货物表面是否会受到污染呢。 肉眼难以识别。利用XPS表面分析技术可以得到答案。作者选取了四组样品：1#为未经海水污染的镀锡马口铁样品, 2# 、3# 和4# 为经海水污染, 但肉眼不能识别的镀锡马口铁样品。在XPS分析仪器下分析后得到图三。 图三 四种样品的XPS全扫描 从全扫描图三可以看出, 1#样品表面含有Sn、O、Cl等元素，这是因为Sn本身的冶炼过程和暴露在空气中受到氧化所致。2#~4#样品表面则含有Sn、O、C、Cl、S、Ca等元素 ,表明经过海水污染的样品表面增加了S和Ca 两种元素。 例二．这个例子是XPS分析凝胶法制备的稳定溶胶的成分。【4】作者通过凝胶法制得样品，但是不知道样品元素组成是否符合实验预期，于是件样品在XPS下进行分析，得到XPS图谱图四。 图四 凝胶法产物的XPS分析 通过XPS图谱作者得到了产物的元素组成。由图易知该样品含有Bi、C、Ti、O、Ba、Na等元素。其中Bi、Na、Ba、Ti是作者希望出现的，这就说明了作者的实验具有可靠性。C是作者不希望出现的杂质，通过对实验步骤的反思作者推断出C是制备工艺引进的杂质。判断出凝胶产物的元素组成以后作者才放心进行样品其余性质的检验。 利用XPS做样品元素的定性分析是其最基础最简单的应用，也是XPS其他应用的基础。 XPS在定量分析中的应用 XPS定性分析样品以后，通过对图谱的处理、比较与计算，还能够定量地分析各种元素在样品中所占的比重。 例三．这个例子是XPS在金刚石表面金属化研究中的应用。【5】作者先是在金刚石表面镀上一层钛膜，运用特殊手段经过充分时间反应后将钛膜除去，然后用XPS分析金刚石表面的化学组成。如果金刚石表面的化学成分中Ti占到了一定的比重，则说明形成了TiC，实现了金刚石表面的金属化，即实验所采用的特殊手段有显著效果。实验将100%Ti的图谱与实际得到的Ti的图谱做出比较如图。 图5 标准T钛XPS图谱与实验图谱比较 通过比较并计算，作者推断出在处理过的金刚石表面，Ti所占的比例为54.40%，其比例是相当可观的，又结合图谱计算出Ti的价态，作者大胆推论金刚石表面形成一层TiC，实验所采用的特殊手段起到了作用。 例四．前文的例二不仅应用了XPS的定性分析，还应用了其定量分析。上文提到，作者通过定性分析分析得到凝胶法制备出的样品含有作者想要的组份，但是各种元素的比重也是相当重要的分析点。作者通过图四得出样品中钛离子与Bi例子的摩尔比为1:0.33，比作者想得到的样本的1:0.5略有差异。但是考虑到工艺问题，可能有一部分Bi离子在制备过程挥发，误差还在可接受范围之内。因此作者认为自己实际