X射线光电子能谱分析XPS

第 18 章X 射线光电子能谱分析18.1 引言固体表面分析业已发展为一种常用的仪器分析方法，特别是对于固体材料的 分析和元素化学价态分析。目前常用的表面成分分析方法有：X射线光电子能谱 (XPS),俄歇电子能谱(AES),静态二次离子质谱(SIMS)和离子散射谱(ISS)。AES 分析主要应用于物理方面的固体材料科学的研究，而 XPS 的应用面则广泛得多， 更适合于化学领域的研究。 SIMS 和 ISS 由于定量效果较差,在常规表面分析中的 应用相对较少。但近年随着飞行时间质谱(TOF-SIMS)的发展，使得质谱在表面 分析上的应用也逐渐增加。本章主要介绍 X 射线光电子能谱的实验方法。X射线光电子能谱(XPS)也被称作化学分析用电子能谱(ESCA)。该方法 是在六十年代由瑞典科学家 Kai Siegbahn 教授发展起来的。由于在光电子能谱的 理论和技术上的重大贡献, 1981 年, Kai Siegbahn 获得了诺贝尔物理奖。三十多 年的来, X 射线光电子能谱无论在理论上和实验技术上都已获得了长足的发展。XPS 已从刚开始主要用来对化学元素的定性分析,业已发展为表面元素定性、半 定量分析及元素化学价态分析的重要手段。 XPS 的研究领域也不再局限于传统的 化学分析,而扩展到现代迅猛发展的材料学科。目前该分析方法在日常表面分析 工作中的份额约 50%,是一种最主要的表面分析工具。在 XPS 谱仪技术发展方面也取得了巨大的进展。在 X 射线源上,已从原来的 激发能固定的射线源发展到利用同步辐射获得 X 射线能量单色化并连续可调的激 发源；传统的固定式 X 射线源也发展到电子束扫描金属靶所产生的可扫描式 X 射 线源;X射线的束斑直径也实现了微型化，最小的束斑直径已能达到6pm大小，使 得 XPS 在微区分析上的应用得到了大幅度的加强。图像 XPS 技术的发展, 大大促进了 XPS 在新材料研究上的应用。在谱仪的能量分析检测器方面，也从传 统的单通道电子倍增器检测器发展到位置灵敏检测器和多通道检测器，使得检测 灵敏度获得了大幅度的提高。计算机系统的广泛采用，使得采样速度和谱图的解 析能力也有了很大的提高。由于 XPS 具有很高的表面灵敏度，适合于有关涉及到表面元素定性和定量分 析方面的应用，同样也可以应用于元素化学价态的研究。此外，配合离子束剥离 技术和变角 XPS 技术，还可以进行薄膜材料的深度分析和界面分析。因此， XPS 方法可广泛应用于化学化工，材料，机械，电子材料等领域。18.2 方法原理X 射线光电子能谱基于光电离作用，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。 在光电离过程中，固体物质的结合能可以用下面的方程表示：E = h - E - 6(18.1)k b s式中Ek 出射的光电子的动能,eV;khv X射线源光子的能量,eV；Eb 特定原子轨道上的结合能, eV；b0 谱仪的功函,eV。s谱仪的功函主要由谱仪材料和状态决定，对同一台谱仪基本是一个常数，与样 品无关，其平均值为34eV。在XPS分析中，由于采用的X射线激发源的能量较高，不仅可以激发出原子 价轨道中的价电子，还可以激发出芯能级上的内层轨道电子，其出射光电子的能 量仅与入射光子的能量及原子轨道结合能有关。因此，对于特定的单色激发源和 特定的原子轨道，其光电子的能量是特征的。当固定激发源能量时，其光电子的 能量仅与元素的种类和所电离激发的原子轨道有关。因此，我们可以根据光电子 的结合能定性分析物质的元素种类。在普通的XPS谱仪中，一般采用的Mg K和Al K X射线作为激发源，光子 aa的能量足够促使除氢、氦以外的所有元素发生光电离作用，产生特征光电子。由 此可见， XPS 技术是一种可以对所有元素进行一次全分析的方法，这对于未知物 的定性分析是非常有效的。经 X 射线辐照后，从样品表面出射的光电子的强度是与样品中该原子的浓度 有线性关系，可以利用它进行元素的半定量分析。鉴于光电子的强度不仅与原子 的浓度有关，还与光电子的平均自由程、样品的表面光洁度，元素所处的化学状 态， X 射线源强度以及仪器的状态有关。因此， XPS 技术一般不能给出所分析元 素的绝对含量，仅能提供各元素的相对含量。由于元素的灵敏度因子不仅与元素 种类有关，还与元素在物质中的存在状态，仪器的状态有一定的关系，因此不经 校准测得的相对含量也会存在很大的误差。还须指出的是， XPS 是一种表面灵敏 的分析方法，具有很高的表面检测灵敏度，可以达到 10-3 原子单层，但对于体相 检测灵敏度仅为 0.1%左右。 XPS 是一种表面灵敏的分析技术，其表面采样深度为 2.05.0 nm，它提供的仅是表面上的元素含量，与体相成分会有很大的差别。而 它的采样深度与材料性质、光电子的能量有关，也同样品表面和分析器的角度有 关。虽然出射的光电子的结合能主要由元素的种类和激发轨道所决定，但由于原 子外层电子的屏蔽效应，芯能级轨道上的电子的结合能在不同的化学环境中是不 一样的，有一些微小的差异。这种结合能上的微小差异就是元素的化学位移，它 取决于元素在样品中所处的化学环境。一般，元素获得额外电子时，化学价态为 负，该元素的结合能降低。反之，当该元素失去电子时，化学价为正， XPS 的结 合能增加。 利用这种化学位移可以分析元素在该物种中的化学价态和存在形式。 元素的化学价态分析是 XPS 分析的最重要的应用之一。18.3 仪器结构和工作原理18.3.1 XPS 谱仪的基本结构虽然 XPS 方法的原理比较简单，但其仪器结构却非常复杂。图 18.1 是 X 射 线光电子能谱的方框图。从图上可见，X射线光电子能谱仪由进样室、超高真空 系统， X 射线激发源、离子源、能量分析系统及计算机数据采集和处理系统等组 成。下面对主要部件进行简单的介绍。具体的操作方法详见仪器操作使用说明书。图18.1 X射线光电子能谱仪结构框图18.3.2 超高真空系统在X射线光电子能谱仪中必须采用超高真空系统,主要是出于两方面的原因。 首先， XPS 是一种表面分析技术，如果分析室的真空度很差，在很短的时间内试 样的清洁表面就可以被真空中的残余气体分子所覆盖。其次，由于光电子的信号 和能量都非常弱，如果真空度较差，光电子很容易与真空中的残余气体分子发生 碰撞作用而损失能量，最后不能到达检测器。在X射线光电子能谱仪中，为了使 分析室的真空度能达到3X10-8Pa, 般采用三级真空泵系统。前级泵一般采用旋 转机械泵或分子筛吸附泵，极限真空度能达到10-2Pa；采用油扩散泵或分子泵， 可获得高真空，极限真空度能达到10-8Pa；而采用溅射离子泵和钛升华泵，可获 得超咼真空，极限真空度能达到10-9Pa。这几种真空泵的性能各有优缺点，可以 根据各自的需要进行组合。现在的新型 X 射线光电子能谱仪,普遍采用机械泵- 分子泵-溅射离子泵-钛升华泵系列,这样可以防止扩散泵油污染清洁的超高真空分 析室。18.3.3 快速进样室X 射线光电子能谱仪多配备有快速进样室,其目的是在不破坏分析室超高真 空的情况下能进行快速进样。快速进样室的体积很小，以便能在510分钟内能 达到10-3 Pa的高真空。有一些谱仪，把快速进样室设计成样品预处理室，可以对 样品进行加热,蒸镀和刻蚀等操作。18.3.4 X 射线激发源在普通的XPS谱仪中，一般采用双阳极靶激发源。常用的激发源有Mg Ka X 射线，光子能量为1253.6 eV和Al K X射线，光子能量为1486.6 eV。没经单色a化的X射线的线宽可达到0.8 eV,而经单色化处理以后，线宽可降低到0.2 eV， 并可以消除X射线中的杂线和韧致辐射。但经单色化处理后，X射线的强度大幅 度下降。18.3.5 离子源在 XPS 中配备离子源的目的是对样品表面进行清洁或对样品表面进行定量剥 离。在 XPS 谱仪中，常采用 Ar 离子源。 Ar 离子源又可分为固定式和扫描式。固 定式Ar离子源由于不能进行扫描剥离，对样品表面刻蚀的均匀性较差，仅用作表 面清洁。对于进行深度分析用的离子源，应采用扫描式Ar离子源。18.3.6 能量分析器X 射线光电子的能量分析器有两种类型，半球型分析器和筒镜型能量分析器。 半球型能量分析器由于对光电子的传输效率高和能量分辩率好等特点，多用在 XPS谱仪上。而筒镜型能量分析器由于对俄歇电子的传输效率高，主要用在俄歇 电子能谱仪上。对于一些多功能电子能谱仪，由于考虑到XPS和AES的共用性和 使用的则重点，选用能量分析器主要依据那一种分析方法为主。以XPS为主的采 用半球型能量分析器，而以俄歇为主的则采用筒镜型能量分析器。18.3.7 计算机系统由于 X 射线电子能谱仪的数据采集和控制十分复杂，商用谱仪均采用计算机 系统来控制谱仪和采集数据。由于XPS数据的复杂性，谱图的计算机处理也是一 个重要的部分。如元素的自动标识、半定量计算，谱峰的拟合和去卷积等。18.4 实验技术18.4.1 样品的制备技术X 射线能谱仪对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。由于涉及到样品在真空中的传递和放置，待分析的样品一般都需要经过 一定的预处理，分述如下：18.4.1.1 样品的大小由于在实验过程中样品必须通过传递杆，穿过超高真空隔离阀，送进样品分 析室。因此，样品的尺寸必须符合一定的大小规范，以利于真空进样。对于块状 样品和薄膜样品，其长宽最好小于10mm,高度小于5 mm。对于体积较大的样品 则必须通过适当方法制备成合适大小的样品。但在制备过程中，必须考虑处理过 程可能对表面成分和状态的影响。18.4.1.2 粉体样品对于粉体样品有两种常用的制样方法。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。后者的优点是可以在真空中对样品进行处理，如加热，表面反应等，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。 在普通的实验过程中，一般采用胶带法制样。18.4.1.3 含有有挥发性物质的样品对于含有挥发性物质的样品，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。18.4.1.4 表面有污染的样品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，为了保证样品表面不被氧化，一般采用自然干燥。18.4.1.5 带有微弱磁性的样品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。18.4.2 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。然而，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。作为 深度分析的离子枪，一般采用0.55 KeV的A离子源。扫描离子束的束斑直径 一般在11 Omm范围，溅射速率范围为0.150 nm/min。为了提高深度分辩率, 一般应采用间断溅射的方式。为了减少离子束的坑边效应，应增加离子束的直径。 为了降低离子束的择优溅射效应及基底效应，应提高溅射速率和降低每次溅射的 时间。在 XPS 分析中，离子束的溅射还原作用可以改变元素的存在状态，许多氧 化物可以被还原成较低价态的氧化物，如 Ti, Mo, Ta 等。在研究溅射过的样品表 面元素的化学价态时，应注意这种溅射还原效应的影响。此外，离子束的溅射速 率不仅与离子束的能量和束流密度有关，还与溅射材料的性质有关。一般的深度 分析所给出的深度值均是相对与某种标准物质的相对溅射速率。18.4.3 样品荷电的校准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。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压, 使得测得的结合能比正常的要高。样品荷电问题非常 复杂，一般难以用某一种方法彻底消除。在实际的 XPS 分析中，一般采用内标法 进行校准。最常用的方法是用真空系统中最常见的有机污染碳的 C 1s 的结合能为 284.6 eV,进行校准。18.4.4 XPS 的采样深度X射线光电子能谱的采样深度与光电子的能量和材料的性质有关。一般定义X 射线光电子能谱的采样深度为光电子平均自由程的 3 倍。根据平均自由程的数据 可以大致估计各种材料的采样深度。一般对于金属样品为 0.5 2 nm, 对于无机 化合物为 1 3 nm, 而对于有机物则为 3 10 nm。18.4.5 XPS 谱图分析技术18.4.5.1 表面元素定性分析这是一种常规分析方法，一般利用 XPS 谱仪的宽扫描程序。为了提高定性分 析的灵敏度，一般应加大分析器的通能(Pass energy)，提高信噪比。图18.2是 典型的 XPS 定性分析图。通常 XPS 谱图的横坐标为结合能，纵坐标为光电子的计数率。在分析谱图时，首先必须考虑的是消除荷电位移。对于金属和半导体样品 由于不会荷电，因此不用校准。但对于绝缘样品，则必须进行校准。因为，当荷 电较大时，会导致结合能位置有较大的偏移，导致错误判断。使用计算机自动标 峰时，同样会产生这种情况。一般来说，只要该元素存在，其所有的强峰都应存 在，否则应考虑是否为其他元素的干扰峰。激发出来的光电子依据激发轨道的名 称进行标记。如从C原子的1s轨道激发出来的光电子用C 1s标记。由于X射线 激发源的光子能量较高，可以同时激发出多个原子轨道的光电子，因此在XPS谱 图上会出现多组谱峰。大部分元素都可以激发出多组光电子峰，可以利用这些峰 排除能量相近峰的干扰，以利于元素的定性标定。由于相近原子序数的元素激发 出的光电子的结合能有较大的差异，因此相邻元素间的干扰作用很小。由于光电子激发过程的复杂性，在 XPS 谱图上不仅存在各原子轨道的光电子 峰，同时还存在部分轨道的自旋裂分峰，K 2产生的卫星峰，携上峰以及X射线 2 激发的俄歇峰等伴峰，在定性分析时必须予以注意。现在，定性标记的工作可由 计算机进行，但经常会发生标记错误，应加以注意。对于不导电样品，由于荷电 效应，经常会使结合能发生变化，导致定性分析得出不正确的结果。位单意任 /数计600 500 400 300 200 100 0结合能/eV图18.2是高纯Al基片上沉积的Ti(CN)薄膜的XPS谱图，激发源为Mg K。XCX从上图可见，在薄膜表面主要有Ti, N, C, O和Al元素存在。Ti, N的信号较 弱，而 O 的信号很强。这结果表明形成的薄膜主要是氧化物，氧的存在会影响 Ti(CN)薄膜的形成。X18.4.5.2表面元素的半定量分析首先应当明确的是XPS并不是一种很好的定量分析方法。它给出的仅是一种 半定量的分析结果，即相对含量而不是绝对含量。由 XPS 提供的定量数据是以原 子百分比含量表示的，而不是我们平常所使用的重量百分比。这种比例关系可以 通过下列公式换算：c x ACwt = ii18.2)1 Fc x Aiii =1式中 ciwt - 第 i 种元素的质量分数浓度；ic.-第i种元素的XPS摩尔分数；ia.-第i种元素的相对原子质量。i在定量分析中必须注意的是，XPS给出的相对含量也与谱仪的状况有关。因为 不仅各元素的灵敏度因子是不同的，XPS谱仪对不同能量的光电子的传输效率也 是不同的，并随谱仪受污染程度而改变。XPS仅提供表面35 nm厚的表面信息, 其组成不能反映体相成分。样品表面的C, O污染以及吸附物的存在也会大大影响 其定量分析的可靠性。18.4.5.3 表面元素的化学价态分析表面元素化学价态分析是 XPS 的最重要的一种分析功能，也是 XPS 谱图解析 最难，比较容易发生错误的部分。在进行元素化学价态分析前，首先必须对结合 能进行正确的校准。因为结合能随化学环境的变化较小，而当荷电校准误差较大 时，很容易标错元素的化学价态。此外，有一些化合物的标准数据依据不同的作 者和仪器状态存在很大的差异，在这种情况下这些标准数据仅能作为参考，最好 是自己制备标准样，这样才能获得正确的结果。有一些化合物的元素不存在标准 数据，要判断其价态，必须用自制的标样进行对比。还有一些元素的化学位移很 小，用XPS的结合能不能有效地进行化学价态分析，在这种情况下，可以从线形 及伴峰结构进行分析，同样也可以获得化学价态的信息。结合能 / eV图 18.3 是 PZT 薄膜中碳的化学价态谱位单意任 /数计从图上可见，在PZT薄膜表面，C Is的结合能为285.0 eV和281.5eV，分别 对应于有机碳和金属碳化物。有机碳是主要成分，可能是由表面污染所产生的。 随着溅射深度的增加，有机碳的信号减弱，而金属碳化物的峰增强。这结果说明 在 PZT 薄膜内部的碳主要以金属碳化物存在。18.4.5.4 元素沿深度方向的分布分析XPS 可以通过多种方法实现元素沿深度方向分布的分析，这里介绍最常用的两 种方法，它们分别是Ar离子剥离深度分析和变角XPS深度分析。(1) Ar离子束溅射法Ar 离子剥离深度分析方法是一种使用最广泛的深度剖析的方法，是一种破坏性 分析方法，会引起样品表面晶格的损伤，择优溅射和表面原子混合等现象。其优 点是可以分析表面层较厚的体系，深度分析的速度较快。其分析原理是先把表面 一定厚度的元素溅射掉，然后再用XPS分析剥离后的表面元素含量，这样就可以 获得元素沿样品深度方向的分布。由于普通的X光枪的束斑面积较大，离子束的 束班面积也相应较大，因此，其剥离速度很慢，深度分辨率也不是很好，其深度 分析功能一般很少使用。此外，由于离子束剥离作用时间较长，样品元素的离子 束溅射还原会相当严重。为了避免离子束的溅射坑效应，离子束的面积应比X光 枪束斑面积大4倍以上。对于新一代的XPS谱仪，由于采用了小束斑X光源(微 米量级)， XPS 深度分析变得较为现实和常用。( 2)变角 XPS 深度分析变角 XPS 深度分析是一种非破坏性的深度分析技术，但只能适用于表面层非 常薄(15nm)的体系。其原理是利用XPS的采样深度与样品表面出射的光电 子的接收角的正玄关系，可以获得元素浓度与深度的关系。图18.4 是 XPS 变角分 析的示意图。图中，a为掠射角，定义为进入分析器方向的电子与样品表面间的夹 角。取样深度(d)与掠射角(a)的关系如下：d = 3 Xsin(a).当a为90。时，XPS的 采样深度最深，减小a可以获得更多的表面层信息，当a为5。时，可以使表面灵敏 度提高10 倍。在运用变角深度分析技术时， 必须注意下面因素的影响。(1)单 晶表面的点陈衍射效应；(2)表面粗糙度的影响；(2)表面层厚度应小于 10 nm.图18.5是Si3N4样品表面SiO2污染层的变角XPS分析。从图上可见，在掠射 角为5。时，XPS的采样深度较浅，主要收集的是最表面的成分。由此可见，在Si3N4 样品表面的硅主要以SiO2物种存在。在掠射角为90。时，XPS的采样深度较深， 主要收集的是次表面的成分。此时，Si3N4的峰较强，是样品的主要成分。从XPS 变角分析的结果可以认为表面的Si3N4样品已被自然氧化成SiO2物种。图18.4变角XPS示意图图18.5 Si3N4表面SiO2污染层的变角XPS谱18.4.5. 5 XPS 伴峰分析技术在XPS谱中最常见的伴峰包括携上峰，X射线激发俄歇峰（XAES）以及XPS 价带峰。这些伴峰一般不太常用，但在不少体系中可以用来鉴定化学价态，研究 成键形式和电子结构，是XPS常规分析的一种重要补充。（1） XPS 的携上峰分析 在光电离后，由于内层电子的发射引起价电子从已占有轨道向较高的未占轨道 的跃迁，这个跃迁过程就被称为携上过程。在XPS主峰的高结合能端出现的能量 损失峰即为携上峰。携上峰是一种比较普遍的现象，特别是对于共轭体系会产生 较多的携上峰。在有机体系中，携上峰一般由兀-兀*跃迁所产生，也即由价电子从最 高占有轨道（HOMO ）向最低未占轨道（LUMO ）的跃迁所产生。某些过渡金属 和稀土金属，由于在 3d 轨道或 4f 轨道中有未成对电子，也常常表现出很强的携 上效应。结合能 / eV图 18.6 是几种碳纳米材料的 C 1s 峰和携上峰谱图图18.6是几种碳材料的C 1s谱。从图上可见，C 1s的结合能在不同的碳物种 中有一定的差别。在石墨和碳纳米管材料中，其结合能均为284.6 eV；而在C60 材料中，其结合能为284.75 eV。由于C 1s峰的结合能变化很小，难以从C 1s峰 的结合能来鉴别这些纳米碳材料。但图上可见，其携上峰的结构有很大的差别， 因此也可以从C 1s的携上伴峰的特征结构进行物种鉴别。在石墨中，由于C原子 以sp2杂化存在，并在平面方向形成共轭兀键。这些共轭兀键的存在可以在C 1s峰 的高能端产生携上伴峰。这个峰是石墨的共轭兀键的指纹特征峰，可以用来鉴别石 墨碳。从图上还可见，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，这与碳纳米管的研究结果是一致的。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3。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60 子结构决定的。在C60分子中，不仅存在共轭兀键，并还存在键。因此，在携上60 峰中还包含了键的信息。综上所见，我们不仅可以用C 1s的结合能表征碳的存 在状态，也可以用它的携上指纹峰研究其化学状态。（2）X射线激发俄歇电子能谱（XAES）分析在 X 射线电离后的激发态离子是不稳定的，可以通过多种途径产生退激发。 其中一种最常见的退激发过程就是产生俄歇电子跃迁的过程，因此X射线激发俄 歇谱是光电子谱的必然伴峰。其原理与电子束激发的俄歇谱相同，仅是激发源不 同。与电子束激发俄歇谱相比， XAES 具有能量分辨率高，信背比高，样品破坏 性小及定量精度高等优点。同XPS 样，XAES的俄歇动能也与元素所处的化学 环境有密切关系。同样可以通过俄歇化学位移来研究其化学价态。由于俄歇过程 涉及到三电子过程，其化学位移往往比XPS的要大得多。这对于元素的化学状态 鉴别非常有效。对于有些元素， XPS 的化学位移非常小，不能用来研究化学状态 的变化。不仅可以用俄歇化学位移来研究元素的化学状态，其线形也可以用来进 行化学状态的鉴别。位单意任 /数计240 250 260 270 280俄歇动能/ eV图16.7是几种纳米碳材料的XAES谱从图上可见，俄歇动能不同，其线形有较大的差别。天然金刚石的C KLL俄 歇动能是 263.4 eV, 石墨的是 267.0 eV, 碳纳米管的是 268.5 eV, 而 C60 的则为60266.8 eV. 这些俄歇动能与碳原子在这些材料中的电子结构和杂化成键有关。天然 金刚石是以Sp3杂化成键的，石墨则是以Sp2杂化轨道形成离域的平面兀键，碳纳 米管主要也是以Sp2杂化轨道形成离域的圆柱形兀键，而在C60分子中，主要以Sp2 杂化轨道形成离域的球形兀键，并有Q键存在。因此，在金刚石的C KLL谱上存在 240.0和246.0eV的两个伴峰，这两个伴峰是金刚石sp3杂化轨道的特征峰。在石 墨、碳纳米管及C6O的C KLL谱上仅有一个伴峰，动能为242.2 eV，这是sp2杂60 化轨道的特征峰。因此，可以用这伴峰结构判断碳材料中的成键情况。(3) XPS价带谱分析XPS价带谱反应了固体价带结构的信息，由于XPS价带谱与固体的能带结构 有关，因此可以提供固体材料的电子结构信息。由于XPS价带谱不能直接反映能 带结构，还必须经过复杂的理论处理和计算。因此，在XPS价带谱的研究中，一 般采用XPS价带谱结构的比较进行研究，而理论分析相应较少。位单意任 /数计B：碳纳米管C:石墨A30 25 20 15 10 5 0图 18.8 几种纳米碳材料的 XPS 价带谱图 18.8 是几种碳材料的 XPS 价带谱。从图上可见，在石墨，碳纳米管和 C6060分子的价带谱上都有三个基本峰。这三个峰均是由共轭兀键所产生的。在C60分子 中，由于兀键的共轭度较小，其三个分裂峰的强度较强。而在碳纳米管和石墨中由 于共轭度较大，特征结构不明显。从图上还可见，在C60分子的价带谱上还存在其 60他三个分裂峰，这些是由C60分子中的键所形成的。由此可见，从价带谱上也可60以获得材料电子结构的信息。（4）俄歇参数 元素的俄歇电子动能与光电子的动能之差称为俄歇参数，它综合考虑了俄歇 电子能谱和光电子能谱两方面的信息。 由于俄歇参数能给出较大的化学位移以及 与样品的荷电状况及谱仪的状态无关，因此，可以更为精确地用于元素化学状态 的鉴定18.5 实验18.5.1 SiO2自然氧化层超薄膜的XPS分析18.5.1.1 实验目的了解和掌握XPS的定性分析方法以及在未知物定性鉴定上的应用;（2） 了解XPS的定量分析方法以及元素化学价态测定的方法。18.5.1.2 实验原理利用 XPS 分析技术测得各未知元素的原子轨道的特征结合能，从其结合能来鉴 定未知元素的种类。利用元素浓度和XPS信号强度的线性关系进行定量分析。通 过测得元素的结合能和化学位移，来鉴定元素的化学价态。18.5.1.3 实验内容（1）样品处理和进样 将大小合适、带有自然氧化层的硅片经乙醇清洗干燥后，送入快速进样 室。开启低真空阀，用机械泵和分子泵抽真空到10-3Pa。然后关闭低真空阀, 开启高真空阀，使快速进样室与分析室连通，把样品送到分析室内的样品架上，关闭高真空阀。(2) 仪器硬件调整通过调整样品台位置和倾角，使掠射角为 90 (正常分析位置)。待分析 室真空度达到5X10-7 Pa后，选择和启动X枪光源，使功率上升到250W。 (3)仪器参数设置和数据采集定性分析的参数设置为:扫描的能量范围为0-1200 eV,步长为leV/步，分 析器通能为 89.0 eV, 扫描时间为 2 min。定量分析和化学价态分析的参数设置为：扫描的能量范围依据各元素而定，扫描步长为0.05 eV/步，分析器的通能为37.25 eV,收谱时间为510min。18.5.1.4 数据处理(1) 定性分析的数据处理用计算机采集宽谱图后，首先标注每个峰的结合能位置，然后再根据结 合能的数据在标准手册中寻找对应的元素。最后再通过对照标准谱图，一一 对应其余的峰，确定有那些元素存在。原则上当一个元素存在时，其相应的 强峰都应在谱图上出现。一般来说，不能根据一个峰的出现来定元素的存在 与否。现在新型的 XPS 能谱仪，可以通过计算机进行智能识别，自动进行元 素的鉴别。但由于结合能的非单一性和荷电效应，计算机自动识别经常会出 现一些错误的结论。(2) 定量分析的数据处理：收完谱图后，通过定量分析程序，设置每个元素谱峰的面积计算区域和 扣背底方式，由计算机自动计算出每个元素的相对原子百分比。也可依据计 算出的面积和元素的灵敏度因子进行手动计算浓度。最后得出单晶硅片表面 C 元素， O 元素和 Si 元素的相对含量。(3) 元素化学价态分析利用上面的实验数据，在计算机系统上用光标定出 C 1s, O 1s 和 Si 2p 的 结合能。 依据 C 1s 结合能数据判断是否有荷电效应存在，如有先校准每个结 合能数据。然后再依据这些结合能数据，鉴别这些元素的化学价态。18.5.1.5 思考题在 XPS 的定性分析谱图上，经常会出现一些峰，在 XPS 的标准数据中难以找 到它们的归属，是否这是仪器的问题？应如何解释？18.5.2 单晶硅表面自然氧化层的深度分析18.5.2.1 实验目的了解和掌握利用 XPS 进行深度分析的两种方法，比较它们在薄膜材料深度分 析上的优缺点。18.5. 2.2 实验原理 通过对不同掠射角表面元素的定量分析，获得元素浓度与掠射角的关系。掠 射角的角度越大，其采样深度也越深。离子剥离深度分析实验的原理是通过分析 剥离一定层厚度后的表面元素含量，获得元素深度分布的信息。18.5.2.3 实验内容（1）样品处理和进样（参见 18.5.1.3）（2）仪器硬件调整待分析室真空度达到5X10-7 Pa后，选择和启动X枪光源，使功率上升到 250W。变角深度分析是通过调整样品台位置和倾角，使掠射角为90。, 60。, 45。, 30。和18。而对于离子剥离深度分析则是：提高X光枪位置，启动离子枪， 调节Ar气分压使得分析室的真空度优于3X10-5 Pa。样品与分析器的掠射角 为 90。（3）仪器参数设置和数据采集 变角深度分析的参数设置为：扫描的能量范围依据各元素而定，扫描步长为0.10 eV/步，分析器的通能 为37.25 eV,收谱时间为510 min。离子剥离深度分析的参数设置为：扫描的能量范围依据各元素而定，扫描步长为0.25 eV/步，分析器的通能 为 37.25 eV 。深度分析采用交替模式, 溅射时间依据离子枪的溅射速率而定 （110 min）,循环次数依据薄膜厚度而定。18.5.2.4 数据处理变角深度分析的数据处理： 通过计算机计算每个角度时各元素的原子百分比浓度的变化规律。观察Si 2p 谱中的单质硅和氧化硅峰强度与掠射角的变化规律。离子剥离深度分析的数据处理：通过深度分析程序可以获得 XPS 信号强度与溅射时间的关系。再通过定 量处理可以获得原子百分比与溅射时间的关系。而溅射时间与样品的深度有 线性关系，可以通过标定获得剥离深度。18.5.2.5 思考题在 XPS 的变角深度分析中，掠射角与样品深度有怎样的关系？在离子剥离深 度分析中，溅射时间与深度有何联系？深度分辨率的影响因素有那些？18.5.3聚乙烯薄膜的XPS的特殊分析18.5.3.1 实验目的了解XPS的伴峰分析方法以及在新型碳材料上的应用。18.5.3.2 实验原理XPS 的伴峰（携上峰，俄歇峰和价带峰）是与材料的电子结构和成键状况 直接有关。分析这些伴峰的结构和形状，可以获得一些特殊信息。18.5.3.3 实验内容与步骤（1）样品处理和进样（参见 18.5.1.3）（ 2）仪器硬件调整待分析室真空度达到5X10-7 Pa后，选择和启动X枪光源，使功率上升到 250W。 调整样品台位置和倾角，使掠射角为 90 。（3）仪器参数设置和数据分析C 1s 峰的携上峰：C Is结合能的扫描范围可以设置为280 eV300 eV,扫描步长为0.05 eV/步, 分析器通能为17.25 eV,收谱时间通常为10 min左右。这样获得的谱图有较高的 能量分辨率和信噪比，有利于携上峰的分析。XAES C KLL 谱：由于俄歇峰的能量（结合能）与激发源的能量有关,因此在设置扫描范围时 必须注意Al靶与Mg靶的区别。且由于俄歇峰的能量分辨率较低，为了减少收集 时间可以适当增加扫描步长和通能。通常设置扫描步长为0.10.2 eV/步，通能为 37.25 eV,收集时间为2030 min,这样获得的C KLL俄歇谱的背底很高。XPS 价带谱：从C 1s谱上很难区别聚乙烯和聚丙烯，这是因为碳原子在这些材料中所处的 化学环境基本相同。但这两种材料的电子结构是不同的,这种变化可以从其价带 谱上进行区分。为了收集 C 元素的价带谱,必须对窄扫描的条件进行修改。结合 能的扫描范围可以设置为-5 eV30 eV,扫描步长为0.05 eV/步，通能为17.25 eV, 收谱时间通常为40 min左右。这样获得的谱图有较高的能量分辨率和信噪比，有 利于价带结构的分析。18.5.3.4 数据处理C 1s峰的携上峰：为了提高携上峰的能量分辨率,可以对谱峰进行去卷积处理。由于携上峰的 信号仅为主峰的 5%10%,谱峰很弱,分析之前还应进行谱图放大处理。从携上 峰与主峰的能量差可以研究价电子的跃迁机理和结构判断。XAES C KLL 谱：为了理论分析的需要,还须对谱图进行扣背底处理。此外,为了与电子束激 发的俄歇谱相比较和提高信背比,还可以对谱图进行数字微分处理。XPS 价带谱：XPS 的价带谱需要经过扣背底处理,必须注意的是,不同的扣背底处理方法 会对价带峰形产生很大的影响。由于,从价带结构分析材料的能带结构,须要对 价带谱进行一定的物理处理和理论计算,因此,在通常的研究中主要比较价带谱 的结构,进行唯象分析。18.5.3.5 思考题 对于一个不导电的有机样品,是否可以直接用结合能的数据进行化学价态的鉴别？ 应如何处理在能保证价态分析的正确性。