XPS谱图中的谱线结构及化学元素分析

一、XPS 谱图中有哪些重要的谱线结构？具体是什么？

XPS 谱图一般包括光电子谱线，卫星峰（伴峰），俄歇电子谱线，自旋- 轨道分裂（SOS）等

1、光电子谱线：
每一种元素都有自己特征的光电子线，它是元素定性分析的主要依据。谱图中强度最大、峰宽最小、对称性最好的谱峰，称为XPS 的主谱线。

实例说明一：上图中，对于In 元素而言，In 3d 强度最大、峰宽最小，对称性最好，是In 元素的主谱线。而除了主谱线In 3d 之外，其实还有In 4d，In 3p 等其它谱线，这是因为In 元素有多种内层电子, 因而可以产生多种In XPS 信号。

2、卫星峰（伴峰）：
常规Ｘ射线源（Al/Mg Kα1，2）并非是单色的，而是还存在一些能量略高的小伴线（Kα3，4，5和Kβ等），所以导致XPS 中，除Kα1，2 所激发的主谱外，还有一些小的伴峰。

实例说明二：上图为Mg 阳极X 射线激发的C1s 主峰（α1，2）及伴峰（α3，4，5和β）。从图中可以看出，主峰的强度比伴峰要强很多。

3、俄歇电子谱线：
电子电离后，芯能级出现空位，弛豫过程中若使另一电子激发成为自由电子，该电子即为俄歇电子。俄歇电子谱线总是伴随着XPS，但具有比XPS 更宽更复杂的结构，多以谱线群的方式出现。特征：其动能与入射光ｈν无关。

实例说明三：上图中O KLL, C KLL 即为O 和C 的俄歇电子谱线，从图中可以看到O KLL 其实有三组峰，最左边的为起始空穴的电子层，中间的是填补起始空穴的电子所属的电子层，右边的是发射俄歇电子的电子层。

4、自旋- 轨道分裂（SOS）：
由于电子的轨道运动和自旋运动发生耦合后使轨道能级发生分裂。对于l＞0 的内壳层来说，用内量子数j（j=｜l±ms｜）表示自旋轨道分裂。即若l=0 则j=1/2；若l=1 则j=1/2 或3/2。除s 亚壳层不发生分裂外，其余亚壳层都将分裂成两个峰。

实例说明四：上图所示为PbO 的XPS 谱图，图中Pb 4f 裂分成4f5/2 和4f7/2 两个峰。

重要意义：对于某一特定价态的元素而言，其p，d，f 等双峰谱线的双峰间距及峰高比一般为一定值。p 峰的强度比为1：2；d 线为2：3；f 线为3：4。对于p 峰，特别是4p 线，其强度比可能小于1：2。

双峰间距也是判断元素化学状态的一个重要指标。

5、鬼峰：
有时，由于X 射源的阳极可能不纯或被污染，则产生的X 射线不纯。因非阳极材料X 射线所激发出的光电子谱线被称为“鬼峰”。

二、化合物中元素种类的分析——全谱分析

1、什么时候需要进行全谱分析（XPS survey）？全谱分析的目的是什么？
全谱分析一般用来说明样品中是否存在某种元素。比较极端的，对于某一化学成分完全未知的样品，可以通过XPS 全谱分析来确定样品中含有哪些元素（H 和He 除外）。

而更多情况下，人们采用已知成分的原料来合成样品，然后通过XPS 全谱来确定样品中到底含有哪些元素；或者对某一已知成分的样品进行某种处理（掺杂或者脱除），然后通过XPS 全谱分析来确定元素组成，最终证实这种处理手段的有效性。

实例说明五：J. Appl. Phys. 2014，116， 213911 一文中，采用XPS 全谱分析来对比AlN 和AlN：Er, 证实reactive magnetron sputtering 处理后，Er 成功掺杂到AlN 薄膜中。

实例说明六：Appl. Catal. B：Environ. 2009，595–602. 一文中采用XPS全谱分析来说明Fe 成功掺杂到TiO2 nanorod 中。

从以上两个例子中可以看出，全谱分析主要看峰的有无，进而确定是否存在该元素。

2、全谱分析有何不足之处？
全谱分析所得到的信号比较粗糙，只是对元素进行粗略的扫描，确定元素有无以及大致位置。对于含量较低的元素而言，信噪比很差，不能得到非常精细的谱图。通常，全谱分析只能得到表面组成信息，得不到准确的元素化学态和分子结构信息等。

3、XPS 全谱分析与EDS 有何异同？
a. EDS 与XPS 的相同点：两者均可以用于元素的定性和定量检测。

b. EDS 与XPS 的不同点：

1) 基本原理不一样：
简单来说，XPS 是用X 射线打出电子，检测的是电子；EDS 则是用电子打出X 射线，检测的是X 射线。

2) EDS 只能检测元素的组成与含量
EDS不能测定元素的价态，且EDX 的检测限较高（含量＞2%），即其灵敏度较低。而XPS 既可以测定表面元素和含量，又可以测定表其价态。XPS 的灵敏度更高，最低检测浓度＞0.１％。

3) 用法不一样：
EDS 常与SEM，TEM 联用，可以对样品进行点扫，线扫，面扫等，能够比较方便地知道样品的表面（和SEM 联用）或者体相（和TEM 联用）的元素分布情况；而XPS 则一般独立使用，对样品表面信息进行检测，可以判定元素的组成，化学态，分子结构信息等。

备注：EDS 或EDX 指能量色散X 射线光谱仪，全称为Energy Dispersive X-ray Spectroscopy。

三、化合物中元素化学态与结构分析——窄区扫描（高分辨谱）

1. 什么叫荷电校正？为什么需要进行荷电校正？
当用XPS 测量绝缘体或者半导体时，由于光电子的连续发射而得不到电子补充，使得样品表面出现电子亏损，这种现象称为“荷电效应”。荷电效应将使样品表面出现一稳定的电势Vs，对电子的逃离有一定束缚作用。因此荷电效应将引起能量的位移，使得测量的结合能偏离真实值，造成测试结果的偏差。在用XPS 测量绝缘体或者半导体时，需要对荷电效应所引起的偏差进行校正（荷电校正的目的），称之为“荷电校正”。

2. 如何进行荷电校正？
最常用的，人们一般采用外来污染碳的C1s 作为基准峰来进行校准。以测量值和参考值（284.8 eV）之差作为荷电校正值（Δ） 来矫正谱中其他元素的结合能。

具体操作：1) 求取荷电校正值：C 单质的标准峰位（一般采用284.8 eV）- 实际测得的C 单质峰位= 荷电校正值Δ；2) 采用荷电校正值对其他谱图进行校正：将要分析元素的XPS 图谱的结合能加上Δ，即得到校正后的峰位（整个过程中XPS 谱图强度不变）。

将校正后的峰位和强度作图得到的就是校正后的XPS 谱图。

3、如何通过高分辨谱判定样品中某种元素的价态？ 
高分辨谱定性分析元素的价态主要看两个点：1）可以对照标准谱图值（NIST 数据库或者文献值）来确定谱线的化合态；2）对于p，d，f 等具有双峰谱线的（自旋裂分），双峰间距也是判断元素化学状态的一个重要指标。

4. 高分辨谱的其他常见用途 
实际上，多数情况下，人们关心的不仅仅是表面某个元素呈几价，更多的是对比处理前后样品表面元素的化学位移变化，通过这种位移的变化来说明样品的表面化学状态或者是样品表面元素之间的电子相互作用。

一般，某种元素失去电子，其结合能会向高场方向偏移，某种元素得到电子，其结合能会向低场方向偏移，对于给定价壳层结构的原子, 所有内层电子结合能的位移几乎相同. 这种电子的偏移偏向可以给出元素之间电子相互作用的关系。

实例说明七：下图所示是PtPd 形成合金后其表面电子结构的变化，从图中可以看出，形成Pt1Pd3 之后，Pd3d 向低场偏移，Pt4f 向高场偏移，说明Pd 得到电子，Pt 失去电子，也就是说形成合金后，Pt 上的电子部分转移给Pd。PtPd 的这种电子转移也是其形成合金的一个证据。

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