电子能谱仪应用揭秘X-射线光电子能谱仪的应用|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

揭秘X-射线光电子能谱仪的应用

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，因此需要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，使用表面分析能够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，XPS成为表面材料表征的标准工具之一 。

XPS介绍

XPS 主要用于化学、材料、能源、机械等领域，可测试粉末、块状、纤维、薄膜等样品。其分析内容包括表面元素组成及化学态元素定性半定量分析、表面元素深度分析、表面元素分布分析等。例如用于钢铁表面钝化工艺评估，聚合物心脏支架表面药物元素的深度剖析，有机光电发光二级管（OLEDS）深度表征等。

01XPS 原理

用单色化射线照射样品，使样品中原子或分子的电子受激发射，然后测量这些电子的能量分布，通过与已知元素的原子或离子的不同壳层的电子的能量相比较，就可以确定未知样品表层中原子或离子的组成和状态。

02仪器条件

表面测试深度：

金属：0.5-2nm，无机：1-3nm；有机：3-10nm

元素测试范围： Li—U%

元素检出限制： ≥0.1at

03样品要求

1) 粉末：需要干燥，研磨均匀细腻；制样方法两种，胶带法需要样品20-30mg ，压片法需要样品2g ；

块状：标清楚正反面，长宽高一般小于5*5*3mm ；

薄膜：标清楚正反面，注意保护好样品表面，长宽高一般小于5*5*3mm ；

2) 样品通常用自封袋送样，这样实际上并不好，容易出现污染，可以用离心管 或者锡箔纸 ；

3) 超高样品 ：需要切薄；

4) 液体：最好涂敷在Si片上干燥后送样，注意有基底干扰，需要测试空白样；

5) 磁性样品 ：有些机器无法测（磁透镜），一定注明是否有磁性；

6) 空气敏感样品 ：手套箱制样；

7) 生物细胞类 ：冷冻干燥后或在冷冻条件下测试；

8) 样品禁忌 ：样品必须充分干燥，不接受低熔点或易分解的样品；磁性样品要消磁后测试；样品中不能含有卤素，易挥发性物质

案例分析

01 表面元素定性半定量测试

每种元素都有各自的特征谱线，具有指纹特性，从而用于定性分析；通过灵敏度因子法计算峰面积，可以获得定量信息，然而元素灵敏度因子受很多因素影响，因此XPS测试结果为半定量结果；结合XPS分析软件可以轻松完成上述分析。

案例：太阳能电池板小颗粒异物元素分析。由于样品很少（仅肉眼可见），EDS测试不能区分其中微量元素是锆或磷。后续采用XPS测试后，确认样品在EDS的出峰是磷元素而不含锆元素。

02 价态分析（无机及金属材料)

由于结合能反映元素的指纹信息，当原子周围的化学环境发生变化，元素内层电子结合能会随之变化。因此可根据结合能变化推测元素的化学结合状态，即元素及化学态的定性分析。

03 有机官能团分析（有机材料）

对客户关注有机官能团及其对应的元素，进行可能存在的官能团进行客观分析。值得注意的是，样品的有机官能团信息需由客户提供。

案例： 样品为石墨烯负载钼粉末，通过XPS对其中可能存在的有机物官能团团信息进行分析。

04 深度剖析（纳米级膜厚度测试）

通过Ar+枪对样品进行轰击，边轰击边测试，可以分析出元素成分在不同深度下的结果，并得到元素成分、价态随着深度变化的规律。

05 UPS-XPS+UV（能带间隙分析）

紫外光电子能谱 (UPS) 的操作原理同 XPS 一样，唯一的区别是 UPS 使用几十 eV 的电离辐射来诱导光电效应，而 XPS 则使用高于 1 keV 的光子。在实验室中，使用气体放电灯来生成紫外光子。气体放电灯通常填充氦气，但也可使用其它气体填充，如氩气和氖气。氦气发射的光子能量为 21.2 eV (He I) 和 40.8 eV (He II)。

由于使用了更低能量的光子，UPS 不能获取大多数核心能级的光电发射，因此谱采集仅限于价带区域。使用 UPS 能进行两种类型的实验：价带采集 和电子逸出功测量 。

案例： 样品为半导体热压多晶发光材料，想通过XPS及相关性能测试样品的能带间隙大小，从而来表征半导体材料的性能：

06 成像（元素XPS二维成像）

XPS 不但能用于识别表面的点或微小特征区，还能用于样品表面成像。这对了解表面的化学状态分布很有帮助，可用于发现污染的限值以及检测超薄膜涂层的厚度变化情况：

微谱拥有专业的技术团队与完备的服务体系，能够根据不同的样品类型为客户定制个性化测试方案，并提供现场测试服务。如果您有相关的业务需求，欢迎来电咨询：400-700-8005 。微谱工业技术服务 微谱，大型研究型检测机构。为客户提供分析、检测、测试、鉴定、法规咨询等专业技术服务，与广大新材料领域以及先进制造领域的客户一起推动技术革新，提升产品质量。

参考资料

X射线光电子能谱分析单梦洁-X射线光电子能谱仪介绍

科学前沿11：国内首台高重频高通量高次谐波超快角分辨光电子能谱仪搭建完成并实现应用

角分辨光电子能谱仪（ARPES）因其具有能量和动量分辨能力，是探测材料能带结构的重要手段。随着超快激光技术的不断发展，结合泵浦-探测技术的超快角分辨光电子能谱仪（TR-ARPES）由于兼具时间分辨能力，可以用来探测非平衡态的电子能带信息，因此近年来备受人们的重视。特别是基于高次谐波产生（HHG）的TR-ARPES还具有光子能量高、光子能量可调谐的优点，使得其探测范围可以覆盖到大范围布里渊区，在电荷密度波（CDW）材料、过渡金属二硫化物（TMD）材料的超快动力学过程研究中具有重要的作用。

图 1：实验室设备全图

近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心极端条件物理重点实验室丁洪研究组（EX7组）的博士生陈发民、潘默君、刘俊德在钱天研究员和运晨霞副主任工程师的指导下，研制成功国内首台基于高重复频率、高通量高次谐波光源的超快角分辨光电子能谱仪（HHG-TRARPES），并通过了专家的现场测试（图1）。该仪器系统配备了六轴低温样品台，DA30半球分析器，极限真空优于10-10torr，最低温度小于6K，其光子能量连续可调（20-60eV），重复频率为0.4MHz。第18阶次光子（21.6eV）的能量分辨率为109meV，时间分辨率为120fs，样品位置处的光通量约为1011ph/s，综合参数达到世界同类型设备的一流水平。此外，全设备接入自主开发的控制系统，实现了集成化、智能化、便捷化操作，时间和角度联动扫谱，内置真空自锁与保护功能。目前实验装置已经进入稳定运行阶段，实现了对拓扑绝缘体Bi2Se3未占据态和电荷密度波材料1T-TiSe2能带动力学演化过程的测量（图2和图3）。这一设备的搭建完成，填补了国内相关领域的空白，为未来研究量子材料中电子的超快动力学过程、未占据态以及新型电子态提供了关键的实验平台。

图 2：拓扑绝缘体Bi2Se3未占据态的测量

这项工作及相关研究得到北京市科委、国家自然科学基金委、中国科学院战略性先导科技专项（B类）和中国科学院科研仪器设备研制项目等项目的大力支持。高次谐波光源部分得到光物理重点实验室L07组赵昆副研究员、魏志义研究员及联培博士生王佶、许思源等人的密切协助与配合（详细信息请见：科研进展∣高重复频率极紫外相干光脉冲的产生）。