学术干货 | 带你“一网捞尽”XPS 基本理论【绝对没有套路】
1、XPS是什么鬼？
通过收集在入射X光作用下，从材料表面激发的电子能量、角度、强度等信息对材料表面进行定性、定量和结构鉴定的表面分析方法。
一般以Al、Mg作为X射线的激发源，俗称靶材。
2、XPS测试深度是多少？
由于电子穿过材料需要消耗能量，其强度服从指数衰减规律，所以XPS主要用于表面分析，其信息深度受样品状态、X射线波长影响很大。一般将光电子波长的3倍也即3λe定义为XPS的信息深度。常用的无机材料测试深度一般在5-10nm左右。
3、XPS原理
其源于光电效应：原子在X-ray的作用下，内层电子得到能量而发生电离成为自由电子。出射自由电子满足Einstein的能量关系式： hν = EB+ EK
其中ν为光子频率，EB是内层电子的轨道结合能，EK是被入射光子所激发出的光电子的动能。不同原子的轨道结合能不同，而同一原子的内层电子结合能在不同分子中差异较小，故这种结合能带有原子轨道特征，可用于元素分析。
4、XPS谱图类型
1）XPS全谱图和高分辨图
全谱图用于分析元素组成的，实际分析某一个元素使用高分辨图谱。论文中两种图谱往往都需要给出。
2）有伴峰谱和无伴峰谱
无伴峰谱（左） 有伴峰谱（右）
除元素特征主峰以外，有时也会产生伴峰。伴峰的来源主要有：电子振离、振激、能量损失、X射线伴线、多重分裂、俄歇电子。
注：元素的伴峰有时候能够提供额外的信息，善加利用会有意想不到的结果。这一点将在下一篇“XPS在锂离子电池中的重要应用”中进行详细阐述。
5、能级分裂
电子的轨道运动产生轨道磁矩与其自旋运动产生的自旋磁矩存在着电磁相互作用，这种作用叫做耦合，其结果使轨道能级发生分裂，在XPS中双峰成对出现(s轨道除外)。
这种分裂后的能级以内量子数j表示，其中j= |l+ms|；(l :角量子数，ms: 自旋量子数)
以2p轨道为例,其n=2，=1，ms分为±1/2，其能级分裂后的内量子数：j1=|1+1/2|=3/2, j2=|1-1/2|=1/2所以其分裂成2p1/2 与2p3/2轨道。
对于每个j值自旋-轨道分裂能级的简并度=2j+1；
p3/2简并度分别为2*3/2 +1=4. p1/2的轨道简并度为2*1/2+1=2，故表现在XPS中p1/2，p3/2成对出现，且其相对强度分别为1:2
同理d轨道分裂成d3/2：d5/2的相对强度分别为2:3；f轨道分裂成f5/2：f7/2的相对强度分别为3:4；在论文中由于能级分裂XPS双峰成对出现，有时候只分析XPS高强度峰，如2P3/2.
6、XPS分析的能给我们哪些信息？
1）元素的定性分析：可以根据能谱图中出现的特征谱线的位置鉴定除H、He 以外的所有元素。(定性分析的相对灵敏度为0.1%)
2）元素的定量分析：根据能谱图中光电子谱线强度(光电子峰的面积)反应原子的含量或相对浓度。
3）固体表面分析：包括表面的化学组成或元素组成，原子价态，表面能态分布，测定表面电子的电子云分布和能级结构等。
4）化合物的结构：可以对内层电子结合能的化学位移精确测量，提供化学键和电荷分布方面的信息。
5）分子生物学中的应用：利用XPS鉴定维生素B12中的少量的Co。
6）膜表面深度分析：用Ar+离子束对清除材料表面污染层，对材料进行深度剖析。
7、XPS定量分析
由于XPS测试以及分峰、拟合带来的误差，XPS用于离子价态分布的定量分析接受程度不是很高，尤其是对于影响因子较高的期刊。而实际上XPS的定量分析通常作为佐证。
分峰时每一条拟合线代表不同的离子或基团：
其峰面积对应着浓度，不同元素需要考虑灵敏度因子。
8、XPS分析软件知多少？
用于XPS分析的软件主要有两种：1) XPSPEAK，2) PeakFit。这两款软件的使用看个人喜好。笔者推荐后面一种，因为XPSPEAK的可编辑性太强，其数据的可信度较后者稍弱。
XPS理论较多，而篇幅有效。其软件使用暂不具体展开。相关分析可见于中科院刘芬老师《X射线光电子能谱数据处理及分峰步骤》。如需交流，请留言。
下期预告：对于XPS的使用分析，笔者将结合自己的研究方向，在下一篇《XPS在锂离子电池研究中的深度应用》进行深入讨论，欢迎读者交流，批评、指正。
本文由材料人编辑部学术组千纸鹤供稿，欧洲足球赛事 编辑整理。
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