《材料现代分析方法》
X射线的产生
高能电子轰击阳极靶可产生X 射线；
特征射线X射线不是连续波， 能量具有单色性，只与靶材 有关；
X射线不是一根线，具有一系 列线；
XPS需要单色的、一定能量 的X射线
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双阳极X射线管
由灯丝，阳极靶及窗口组成
一般采用双阳极靶；常用 Mg/Al双阳极靶
由于只有表面处的光电子才能从固体中逸出，因而 测得的电子结合能必然反应了表面化学成份的情况。 这正是光电子能谱仪的基本测试原理。
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2. 逃逸深度（λm）
与俄歇电子相同，只有那些来自表面附近在逃逸深 度以内的光电子才没有经过散射而损失能量，才对 确定Eb的谱峰有所贡献。
对于XPS 有用的光电子能量100~1200eV λm =0.5~2.0nm（金属） =4~10nm（高聚物）
真空内 真空外
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1、X射线源
要求 ➢ 足够高的能量（使内层电子电离） ➢ 足够的强度（能产生足够的光电子通量） ➢ 尽量窄的线宽（单色X射线）
应用——Mg、Al源，线宽小，稳定性好 Mg的Kα线，E=1253.6eV，线宽0.7eV Al 的Kα线，E=1486.6eV，线宽0.85eV
只有能量在选定的很窄范围内的电子可能循着一定的轨道 达到出口孔，改变电势，可以扫描光电子的能量范围。
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3. 电子探测及数据处理
光电子信号微弱；10-16~ 10 -14A 光电倍增管，多通道板，位置灵敏检测器三种； 光电倍增管：
原理是当一个电子进入到倍增管内壁与表面材料发 生碰撞会产生多个二次电子，多次碰撞就可以达到 放大的目的； 采用高阻抗、高二次电子发射材料，增益：10 9
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4.离子束溅射
样品表面的清洁； 样品表面层的离子刻蚀； Ar离子，氧离子，铯离子，镓离子等 固定溅射和扫描溅射方式 溅射的均匀性 溅射过程的其他效应
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5.真空系统
电子的平均自由程；（10－5 torr，50m） 清洁表面（10－6 torr，1s，原子单层） 场发射离子枪要求（ 10-8 torr ） XPS要求：10-8 torr以上
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6. 成像XPS
给出的是元素分布像 可给出元素化学成份像 可进行显微分析 8微米分辨率
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三、XPS样品制备
X射线光电子能谱仪对待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。
由于涉及到样品在超高真空中的传递和分析，待分 析的样品一般都需要经过一定的预处理。
主要包括样品的大小，粉体样品的处理, 挥发性样品 的处理，表面污染样品及带有微弱磁性的样品的处 理。
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1. 样品的尺寸
在实验过程中样品通过传递杆，穿过超高真空隔离阀， 送进样品分析室。因此，样品尺寸必须符合一定规范。
对于块体样品和薄膜样品，其长宽最好小于10mm, 高度小于5 mm。
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逃逸深度与逸出角有关
mcos
θ为探测角，出射方向与面法线夹角 当θ = 0 ，垂直表面射出的电子来自最大逸出深度 当θ ≈ 90 ，近似平行于表面射出的电子纯粹来自最外 表面几个原子层 改变探测角θ可调整表面灵敏度
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二、XPS仪
X射线源 离子源 样品台 电子能量分析器 电子探测及倍增器 数据处理与显示
X射线易被内层电子吸收。若入射X射线能量（h ν） 大于原子中电子的结合能及样品的功函数时，电子可 以吸收光子的能量而逸出样品，形成光电子（内层电 子电离后较外层电子跃迁填补空穴，同时发射X射线 或俄歇电子）
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L1 L2
入射X射线 K
俄歇电子 特征X射线
光电子
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单色化XPS谱图效果《材来自现代分析方法》2、电子能量分析器
为XPS的核心, 要求能精确测定能量 磁偏转式能量分析器（对环境磁场灵敏，目前不
采用）和静电型能量分析器 静电型能量分析器：
筒镜型分析器（同AES） 同心半球型分析器（又称球形致偏分析器）
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光电子的动能：
Ek h Eb sp
所以
Eb h Ek sp
E b 电子束缚能 sp 谱仪的功函数
Ek 可实验测定 sp 一般为常数
由于每种元素的电子结构是独特的，测定Eb就可以判定元 素的类型。
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可见，当入射X射线能量一定，测出功函数和电子 的动能，即可求出电子的结合能。
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，必须考虑到处理过程 可能会对表面成分和状态的影响。
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2. 粉体样品
粉体的两种制样方法： 用双面胶带直接把粉体固定在样品台上 把粉体样品压成薄片，再固定于样品台上
加铝窗或Be窗，阻隔电子进 入分析室，也阻隔X射线 辐射损伤样品。
灯丝不面对阳极靶，避免阳 极的污染。
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X射线的单色化
X射线均具有很宽的自然宽度， 能量分辨率受到限制；必须进行 单色化；
X射线难以聚焦，单色化困难； 一般采用Rowland圆晶体进行
单色化（衍射方式）。 强度为原来的1%。
XPS又称化学分析用电子能谱（Electron Spectroscopy for Chemical Anslysis，ESCA），强调X射线电子能谱中既有光电子 峰，也有俄歇电子峰。
XPS是研究材料表面组成和结构的最常用的一种电子能谱。
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一、XPS基本原理
1.光电子发射
当X射线光子与样品作用，被样品原子的电子散射和 吸收。
第一章 表面探针分析
X射线光电子能谱（XPS） 俄歇电子能谱（AES） 二次离子质谱（SIMS）
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§1-1 X射线光电子能谱原理与应用
X射线光电子能谱 （X-Ray Photoelectron Spectroscopy，XPS）
利用X射线与样品表面作用产生光电子，通过分析光电子能 量分布得到光电子能谱，用来分析材料表面元素化学状态的方法。