XPS表面分析技术在材料研究中的应用-20120708

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1、XPS表面分析技术在材料研究中的应用1，2李军1昆明理工大学材料工程与科学学院2云南瑞升烟草技术（集团）有限公司摘要：本文总结了X射线光电子能谱（XPS）的分析原理、技术特点、研究进展、分析仪器构成以及在材料研究中应用情况。关键词：XPS分析技术；材料研究；应用EngineeringapplicationsofSurfaceanalysistechnquesofXPSInMaterialsResearch1,2Jun-Li1YunnanreascendTobaccoTechnology(Group)Co.,Ltd,Kunming650106,

2、China2FacultyofScienceandMaterialengineering,KunmingUniversityofScienceTechnology,Kunming650093,ChinaAbstract：SurfaceanalysistechniquesofXPSareintroduced，SomeEngineeringapplicationsoftheminmaterialssciencearegiveninthispaper.Keywords:SurfaceanalysistechnquesofXPS，MaterialsR

3、esearch，Engineeringapplications0前言近年来，利用各种物理、化学或机械的工艺过程改变基材表面状态、化学成分、组织结构或形成特殊的表面覆层，优化材料表面，以获得原基材表面所不具备的某些性能，如高装饰性、耐腐蚀、抗高温氧化、减摩、耐磨、抗疲劳性及光、电、磁等，达到特定使用条件对产品表面性能的要求的各种表面特殊功能处理技［1］～［4］术得到迅速发展；对表面分析技术发展提出更高要求。表面分析技术是通过研究微观粒子与表面的相互作用获得表面信息，研究物质表面的形貌、化学组成、原子结构、原子态等信息的实验技术；表面分析技术的应

4、用涉及半导体、催化、冶金、腐蚀、涂层、粘合、聚合物、注入、渗杂等；［3］按所获得的信息分类，可分为组分分析、结构分析、形貌分析等。经过长期研1究、开发，表面分析技术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方面。目前常用的表面成分分析技术有：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分析由于光电子或俄歇电在逸出的路径上自由程很短，实际能探测的信息深度只有表面几个至十几个原子层，光电子能谱通常用来作为表面分析的方法主要应用于物理方面的固体材料科学

5、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；而XPS在实验时样品表面受辐照损伤小，能检测周期表中除H和He以外所有的元素，并具有很高的绝对灵敏度。因此是目前表面分析中使用最广的谱仪之一，XPS是一种对固体表面进行定性、定［5］～［8］量分析和结构鉴定的实用性很强的表面分析方法。本文总结了X射线光电子能谱(XPS）的分析原理、技术特点、研究进展、分析仪器构成以及在材料研究中应用情况，旨在让相关人员对XPS表面分析技术系统了解。1XPS的分析原理、技术特点及研究进展1.1XPS的基本原理X射线光电子能谱XPS(X-r

6、ayPhotoelectronSpectroscopy)也被称作化学分析用电子能谱ESCA(ElectronSpectroscopyforChemicalAnalysis)，其基本原理在单色（或准单色）X射线照射下，测量材料表面所发射的光电子能谱来获取表面化学成分、化学态、分子结构等方面的信息；XPS理论首先是由瑞典皇家科学院院士、乌普萨拉大学物理研究所所长K.Siegbahn教授创立的，并于1954年研制成世界上第一台双聚焦磁场式光电子能谱仪，精确测定了元素周期表中各种原子的内层电子结合能。由于在光电子能谱的理论和技术上的重大贡献，1981

7、年，K.Siegbahn获得了诺贝尔物理奖。X射线光电子能谱基于光电效应(如图1所示)，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，如果光子的能量大于电子的结合能，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。2图1X射线光电子能谱的光电效应原理图1914年曼彻斯特的Rutherford表述了在光电离过程中，固体物质的结合能可以用下面的方程表示：Ek=hν-Eb-φs式中：Ek⎯出射的光电子的动能，eV；hν⎯X射线源光子的能量，eV；Eb⎯特

8、定原子轨道上的结合能，eV；φs⎯逸出功，eV。XPS实验装置及光电子能级如图2所示。图2XPS实验装置示意图（a）和光电子能级图（b）1.2XPS的分析技术特点与