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武汉理工大学课程论文

X射线光电子能谱分析技术与应用

摘要：在对许多材料的研究和应用中，了解表面特性是很重要的。X射线光电子能谱（XPS）

对材料表面化学特性具有高识别能力，已经成为材料表面分析的一种重要技术手段。本文介

绍了X射线光电子能谱仪的工作原理以及其主要功能，并对XPS在材料分析中的应用进行

了概括与小结。

关键词：X射线光电子谱；基本原理；主要功能；应用

X射线光电子谱（XPS）是重要的表面分析技术之一。它不仅能探测表面的化学组成，

而且可以确定各元素的化学状态，因此，在化学、材料科学及表面科学中得以广泛地应用。

XPS方法的最简单描述是当X射线与样品相互作用后，激发出某个能级上的电子，测量这

一电子的动能，可以得到样品中有关的电子结构信息，其最大的优点是样品处理简单，适应

性广泛和信息量高，最大特色在于能获取丰富的化学信息，对样品表面的损伤最轻微。它在

材料的基础研究和实际应用中都起着非常重要的作用。

1.X射线光电子谱基本原理

[12]

XPS是测量电子能量的谱学技术，。我们知道，原子是由原子核及绕核运动的电子组

成。电子在一定的轨道上运动，并具有确定的能量。当一束有足够能量(hv)的X射线照射

到某一固体样品(M)上时，便可激发出某原子或分子中某个轨道上的电子，使原子或分子

+

电离,激发出的电子获得了一定的动能E，留下一个离子M。这一X射线的激发过程可表

k

示如下：

M+hvM++e-

e-被称为光电子。若这个电子的能量高于真空能级，就可以克服表面位垒，逸出体外

而成为自由电子。光电子发射过程的能量守恒方程为：

E=hv-E

kB

式中EK为某一光电子的动能，EB为结合能。这就是著名的爱因斯坦光电发射方程，它是

光电子能谱分析的基础。在实际分析中，采用费米能级(EF)作为基准(即结合能为零)，测得

了样品的结合能(BE)值，就可判断出被测元素。由于被测元素的BE变化与其周围的化学环

境有关，根据这一变化，可推测出该元素的化学结合状态和价态。

在X射线引发的芯能级电离过程中，还涉及到俄歇(Auger)电子的发射，样品由于X射

线的入射而产生电离，在电离的过程中，某壳层形成空穴，当邻近轨道的电子填充这个空穴

时，多余的能量又将某轨道上的另一个电子击出，这就是俄歇电子。.这一电子是AugerP

[3]

在1925年的X射线实验中发现的。可见，俄歇电子涉及到3个能级，其动能取决于元素

的种类。在XPS分析中常用到俄歇电子，在专用的俄歇电子能谱中，俄歇电子可用作元素

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鉴定，且迅速准确。

图1给出XPS仪器的简单示意图。当具有一定能量的X射线与物质相互作用后，从样