XPS表面分析技術(shù)在材料研究中的應(yīng)用-20120708

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1、XPS表面分析技術(shù)在材料研究中的應(yīng)用1，2李軍1昆明理工大學(xué)材料工程與科學(xué)學(xué)院2云南瑞升煙草技術(shù)（集團(tuán)）有限公司摘要：本文總結(jié)了X射線光電子能譜（XPS）的分析原理、技術(shù)特點(diǎn)、研究進(jìn)展、分析儀器構(gòu)成以及在材料研究中應(yīng)用情況。關(guān)鍵詞：XPS分析技術(shù)；材料研究；應(yīng)用EngineeringapplicationsofSurfaceanalysistechnquesofXPSInMaterialsResearch1,2Jun-Li1YunnanreascendTobaccoTechnology(Group)Co.,Ltd,Kunming650106,

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

3、esearch，Engineeringapplications0前言近年來(lái)，利用各種物理、化學(xué)或機(jī)械的工藝過(guò)程改變基材表面狀態(tài)、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)或形成特殊的表面覆層，優(yōu)化材料表面，以獲得原基材表面所不具備的某些性能，如高裝飾性、耐腐蝕、抗高溫氧化、減摩、耐磨、抗疲勞性及光、電、磁等，達(dá)到特定使用條件對(duì)產(chǎn)品表面性能的要求的各種表面特殊功能處理技［1］～［4］術(shù)得到迅速發(fā)展；對(duì)表面分析技術(shù)發(fā)展提出更高要求。表面分析技術(shù)是通過(guò)研究微觀粒子與表面的相互作用獲得表面信息，研究物質(zhì)表面的形貌、化學(xué)組成、原子結(jié)構(gòu)、原子態(tài)等信息的實(shí)驗(yàn)技術(shù)；表面分析技術(shù)的應(yīng)

4、用涉及半導(dǎo)體、催化、冶金、腐蝕、涂層、粘合、聚合物、注入、滲雜等；［3］按所獲得的信息分類，可分為組分分析、結(jié)構(gòu)分析、形貌分析等。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研1究、開(kāi)發(fā)，表面分析技術(shù)已發(fā)展為一種常用的儀器分析方法，特別是對(duì)于固體材料的分析和元素化學(xué)價(jià)態(tài)分析方面。目前常用的表面成分分析技術(shù)有：X射線光電子能譜(XPS）、俄歇電子能譜(AES)、靜態(tài)二次離子質(zhì)譜(SIMS)和離子散射譜(ISS)。AES分析由于光電子或俄歇電在逸出的路徑上自由程很短，實(shí)際能探測(cè)的信息深度只有表面幾個(gè)至十幾個(gè)原子層，光電子能譜通常用來(lái)作為表面分析的方法主要應(yīng)用于物理方面的固體材料科學(xué)

5、的研究；SIMS和ISS由于定量效果較差，在常規(guī)表面分析中的應(yīng)用相對(duì)較少；而XPS在實(shí)驗(yàn)時(shí)樣品表面受輻照損傷小，能檢測(cè)周期表中除H和He以外所有的元素，并具有很高的絕對(duì)靈敏度。因此是目前表面分析中使用最廣的譜儀之一，XPS是一種對(duì)固體表面進(jìn)行定性、定［5］～［8］量分析和結(jié)構(gòu)鑒定的實(shí)用性很強(qiáng)的表面分析方法。本文總結(jié)了X射線光電子能譜(XPS）的分析原理、技術(shù)特點(diǎn)、研究進(jìn)展、分析儀器構(gòu)成以及在材料研究中應(yīng)用情況，旨在讓相關(guān)人員對(duì)XPS表面分析技術(shù)系統(tǒng)了解。1XPS的分析原理、技術(shù)特點(diǎn)及研究進(jìn)展1.1XPS的基本原理X射線光電子能譜XPS(X-r

6、ayPhotoelectronSpectroscopy)也被稱作化學(xué)分析用電子能譜ESCA(ElectronSpectroscopyforChemicalAnalysis)，其基本原理在單色（或準(zhǔn)單色）X射線照射下，測(cè)量材料表面所發(fā)射的光電子能譜來(lái)獲取表面化學(xué)成分、化學(xué)態(tài)、分子結(jié)構(gòu)等方面的信息；XPS理論首先是由瑞典皇家科學(xué)院院士、烏普薩拉大學(xué)物理研究所所長(zhǎng)K.Siegbahn教授創(chuàng)立的，并于1954年研制成世界上第一臺(tái)雙聚焦磁場(chǎng)式光電子能譜儀，精確測(cè)定了元素周期表中各種原子的內(nèi)層電子結(jié)合能。由于在光電子能譜的理論和技術(shù)上的重大貢獻(xiàn)，1981

7、年，K.Siegbahn獲得了諾貝爾物理獎(jiǎng)。X射線光電子能譜基于光電效應(yīng)(如圖1所示)，當(dāng)一束光子輻照到樣品表面時(shí)，光子可以被樣品中某一元素的原子軌道上的電子所吸收，如果光子的能量大于電子的結(jié)合能，使得該電子脫離原子核的束縛，以一定的動(dòng)能從原子內(nèi)部發(fā)射出來(lái)，變成自由的光電子，而原子本身則變成一個(gè)激發(fā)態(tài)的離子。2圖1X射線光電子能譜的光電效應(yīng)原理圖1914年曼徹斯特的Rutherford表述了在光電離過(guò)程中，固體物質(zhì)的結(jié)合能可以用下面的方程表示：Ek=hν-Eb-φs式中：Ek?出射的光電子的動(dòng)能，eV；hν?X射線源光子的能量，eV；Eb?特

8、定原子軌道上的結(jié)合能，eV；φs?逸出功，eV。XPS實(shí)驗(yàn)裝置及光電子能級(jí)如圖2所示。圖2XPS實(shí)驗(yàn)裝置示意圖（a）和光電子能級(jí)圖（b）1.2XPS的分析技術(shù)特點(diǎn)與