X射线光电子能谱在材料究中的应用X射线光电子能谱在材料研究中的应用.doc

X射线光电子能谱在材料研究中的应用 1 引言 在许多技术领域，如电子、光学、冶金、化工及医学等，材料研究占有不可缺少的重要地位。在材料制备及使用的过程中，常有化学变化在材料的表面区域发生。因此，材料科学与工程的许多领域都包含对材料的表面化学研究。作为最常用的表面表征技术之一的XPS(X射线光电子能谱)，在材料研究中有着广泛的应用。 XPS测试能够提供对材料研究非常有用的丰富信息。它可用来检测固体材料表面及体相(通过合适的取样方法)所存在的化学元素。除了氢和氦，所有元素都可通过XPS来检测。在大部分情况下，XPS所提供的定性分析结果是明确可靠的。XPS还是一种很有用的半定量分析技术。在材料研究中，由XPS测量所得的化学组成对建立组份一过程一性能的关系非常有价值。通过对电子结合能及俄歇参数的分析，XPS实验可提供材料中元素的化学价态信息，这对于研究材料的化学性能及其变化是非常有效的。正是由于XPS含有化学信息，它也通常被称为化学分析电子能谱( Electron Spectroscopy for Chemical Analysis,ESCA)。 近年来，由于仪器方面的不断发展，许多以前不容易得到的信息可以较容易地用新一代的光电子能谱仪来测量，所以XPS的用途也就越来越广了。XPS能谱中的价带区信号一般很微弱(通常只有内层电子光电子信号强度的百分之一左右)，而且集中在较窄的能量范围内(0 - 30e)，用一般的X射线光源(非单色的)很难测量价带谱。现在高档的商业化能谱仪一般都带有单色器，而且光电子信号的检测效率高，可以相当有效地记录价带谱。很多材料都有特征的价带谱，其中包含有与材料结构有关的信息。这些结构信息用内层电子的光电子能谱很难得到。比如说，聚乙烯和聚丙烯的Cls图谱基本上没有差别，而它们的价带谱却有明显区别在内层光电子逸出固体时，常伴有能量损失，因而在光电子主峰的高结合能的一边可出现能量损失的信号。然而，正象价带谱那样，能量损失谱的信号一般也很弱，因而常被忽略。新一代的XPS能谱仪可成功地用来记录微弱的能量损失谱，因为能量损失的测量是相对于主峰的位置，不受样品荷电效应的影响，所以用能量损失谱来研究绝缘???有独到的优点。此外，对于许多元素来说，、不同化学状态下的能量损失值的差别比相应的内层电子化学位移的差别来的大在这种情况下，用能量损失谱来判断元素价态变化更为有效。以前，化学组份的深度剖面分析一般是用俄歇电子能谱(AES)来测量，XPS在这方面的应用较少，这主要是由于XPS的记录速度慢且所分析的表面区域大，不容易得到好的深度分辨率。然而，这种状态也由于仪器的进展而改变。现在高质量的XPS仪器可以很容易地记录来自直径小于一百微米区域内的光电子信号，而且记录速度很快，所以XPS可用以常规测量高质量的化学组份深度剖面谱图。和AES相比，用XPS作深度剖面分析主要有以下两个优点(1) XPS可以比较方便地用于表征非导体;(2) XPS可以更有效地用来确定元素的化学价态。 可用来研究材料的表征技术很多, XPS是其中最有用的技术之一。XPS之所以成为材料研究中不可缺少的一种工具，是因为它具有如下一些综合的优点:(1) XPS是一种表面灵敏的技术，它所检测到的绝大部分信号来自材料最上面不到十纳米的薄层，所以用XPS来研究材料中与表面有关的现象是非常合适的。(2) XPS可以用来分析元素的化学价态，对于研究材料的表面化学尤其有用。( 3) XPS不但可用于导体，而且可用于非导体。比AES(另一种常用的表面分析技术)应用范围广。(4)XPS可检测轻元素，比氦重的所有元素也都可用XPS来分析。从这一点上来说，XPS比那些靠检测X射线的技术(如电子探针微量分析及X射线荧光谱)占有优势，在研究聚合物及含轻元素的无机材料(如碳化物和氮化物)时特别有用。(5)XPS对材料的损坏程度较低，和那些用带电粒子作为探针的技术，如AES及二次离子质谱(SIMS)相比，XPS在分析过程中能够较好地保存材料的表面化学组成。(6) XPS数据比较容易定量化，它是表面分析中最常用的定量分析技术之一。在这方面XPS比表面分析中另一种常用的技术SIMS，显得优越。 材料研究中的许多问题都是比较复杂的，任何一种分析技术都有其局限性，这就要求我们在研究中结合使用多种表征方法。XPS当然也不例外。XPS在材料研究中的一些局限性:(1) XPS分析一般是在超高真空( 1.33μPa )条件下进行的。对于那些在真空条件下表面组成可能发生变化的材料，在分析XPS结果时要特别小心。虽然在某些情况下，人们可用液氮冷却来减少表面组成的变化，但即使是这样，XPS所得的结果也最好要有别的不需真空的技术来配合。( 2)XPS分析的表面灵敏度比不上那些使用离子