表面分析中的 X 射线光电子能谱： 探测薄膜和涂层
发布时间：2023-08-25 10:21:32 阅读数： 1836
X 射线光电子能谱 (XPS) 已成为分析薄膜和涂层表面化学性质不可或缺的表征技术。XPS 能够探测最上层的几个纳米，揭示元素组成、化学键和电子结构，为了解表面和界面特性如何决定薄膜性能提供了无与伦比的洞察力。本文将讨论 XPS 在薄膜分析中的原理、应用、挑战和未来展望。
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什么是 X 射线光电子能谱？
X 射线光电子能谱 (XPS) 是一种非破坏性、表面敏感的定量光谱技术，用于分析工程材料和天然材料的最外层（约 10 纳米或 30 个原子层）。
它有助于识别材料表面的成分，确定表面成分的相对比例，并通过测量反映元素结合特性的元素结合能来揭示离子的化学状态。
XPS 在分析薄膜和涂层方面的意义
薄膜和涂层可显著提高材料的各种性能，如耐腐蚀性和光学性能；因此，了解其表面化学和成分对于根据特定应用调整其属性至关重要。
薄膜的特性受沉积条件、气体反应性、基底成分和温度的影响，这些参数的变化会导致不同的结果。然而，由于样品量极少，通常只有几毫克，因此分析此类薄膜极具挑战性。
多年来，XPS 凭借其独特的表面灵敏度、定量元素数据和化学状态信息，已发展成为领先的表面分析技术，为表征薄膜和涂层以及了解其行为提供了一种全面的方法。
X 射线光电子能谱： 它如何分析薄膜和涂层？
X 射线光电子能谱 (XPS) 依靠光电效应来分析材料表面的元素组成和化学状态。
在 XPS 中，用已知能量的 X 射线照射样品表面，X 射线与样品中的原子相互作用，射出核心电子，其动能由探测器测量。
根据光电效应方程
Ekinetic = Ephoton - Ebinding – φ
Ephoton 是入射 X 射线光子的能量，Ebinding 是光电子的结合能，φ 是光谱仪的功函数。
由于 Ephoton 和 φ 已知，测量动能就可以确定 Ebinding，而 Ebinding 值提供了存在的元素及其化学状态的指纹，揭示了样品成分和成键信息。
此外，电子结合能还能提供有关材料表面元素组成、化学状态和电子结构的定量信息，这使得 XPS 在分析薄膜顶部几纳米的特性时非常有价值，因为薄膜顶部几纳米的特性往往与大体不同。
应用： 薄膜和涂层分析
元素组成分析
XPS 的一个主要应用是确定薄膜和涂层的元素组成，包括检测可能影响性能和寿命的痕量杂质。
通过测量发射光电子的结合能，XPS 可以识别除氢和氦以外的所有元素，提供定量的表面成分分析。
化学状态鉴定
XPS 可以通过观察结合能的变化（峰值移动）以及与邻近元素的化学作用改变所导致的氧化态来评估表面元素的化学状态。例如，在聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 分析中，不同结合态的碳原子和氧原子的峰值移动揭示了材料的化学结构和结合比例。
这种分析方法可扩展用于研究表面处理后结合状态的变化，以及确定铟锡氧化物 (ITO) 等透明导电薄膜中金属元素的价态。
深度剖析
XPS 可以根据深度对薄膜和涂层的成分和结构进行剖析。这种深度剖析能力对于了解成分在整个材料厚度和层结构中的变化情况至关重要。例如，它可以检测薄膜层之间的相互扩散或渗透到比表面更深的氧化层。
通常的做法是使用离子束依次溅射掉样品表面的薄层，同时分析每个溅射周期后的 XPS 光谱。
化学薄膜物种成像
XPS 可用于薄膜和涂层的元素成像，提供表面化学和元素分布的空间图。
它与常用的表面元素成分成像技术--奥杰显微镜技术相辅相成，但可能会造成电子束损伤，尤其是在绝缘样品中。此外，高分辨率 XPS 成像（空间分辨率高达 10 纳米）可进行多种成分分析，展示了其在研究薄膜和涂层方面的能力。
挑战与未来展望
X 射线光电子能谱 (XPS) 是一种功能强大的薄膜表面分析技术，但某些制约因素限制了它的有效性。
XPS 只能检测最外层约 10 纳米的材料，因此不太适合研究与块体相关的特性和三维元素组成。此外，XPS 在超高真空条件（< 10-9 托）下工作，会对易挥发样品造成挑战，而且其 X 射线束缺乏电子束的精确性，导致分析区域较大，可能无法有效检测微小缺陷。
目前正在努力通过提高空间分辨率、深度剖析、原位功能、电荷补偿以及与补充技术的整合来克服这些局限性。聚焦 X 射线束将实现微米或纳米尺度的制图，增强的深度剖面测量将深入地表下层，原位测量将揭示实时的表面反应。电荷减缓系统将促进绝缘薄膜的分析，而与其他技术相结合的工作流程将提供全面的见解。
XPS 的多功能性将继续在探索薄膜化学、成分、界面和电子结构方面发挥关键作用，从而促进我们对薄膜和涂层中结构-性能关系的理解。
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作者：Owais Ali
