X射线光电子能谱理论
简介
X射线光电子能谱（XPS），也称为化学分析电子能谱（ESCA），由于其简单的使用方法和数据分析，使其成为最广泛使用的表面分析技术。 XPS是由X射线照射在材料表面，通过测试出射光电子的动能和从材料表面（一般10纳米以内）逃离出来电子的数量，获取固体材料表面的元素组成、含量、化学状态、分子结构和化学键方面的信息，此外绝缘体和导体材料也都可以用XPS来分析。XPS分析区域可以由从几微米到几毫米的尺度。
基本原理
XPS是由K. Siegbahn和他的研究小组于19世纪 60年代中期发展的，由于K. Siegbahn在高分辨光电子能谱开发和应用方面的开创性工作和杰出的贡献荣获了 1981年的诺贝尔物理学奖。XPS所用激发源为单色X射线，探测从样品表面出射的光电子的能量分布。由于X射线的能量较高，所以得到的主要是原子内壳层轨道上电离出射的电子。对于 XPS，铝靶K-alpha（1486.6eV）或镁靶K-alpha（1253.6eV）是仪器实验时常用的测试条件。
光电子能谱是基于一个单一能量的光子进>电子出的过程，这一基本过程是一个比俄歇过程简单得多的现象。所有类型的电磁辐射的光子能量是基于爱因斯坦理论中的：E= hn
光电子能谱使用单色辐射激发源（即固定光子能量）。XPS的光子照射样品表面时，原子中的电子吸收光电子后，从初态跃迁至高激发态而离开原子，发射出来的光电子的动能EK可以由X射线辐射能量和电子结合能EB来决定：EK=hn-EB
而真正实验测量的光电子能量为：EK = hn-EB -Φ
其中Φ是谱仪的功函数。下面图 1A及1B显示了光电子产生的原理。
图1A - 光电子产生的原理
图1B - 该图显示光发射的过程。
XPS仪器由X射线源，光电子的能量分析器和电子检测器所组成。图2A及2B显示了聚焦X射线源和能量分析仪的结构 。该电子枪采用聚焦电子束扫描 X射线阳极靶（铝阳极），促使阳极X射线的激发，入射电子束在阳极某个区域产生互补的X射线束。石英晶体单色器聚焦使光栅 X射线束在样品表面进行扫描。对于样品中和，电子束以非常高的速度扫描阳极表面来减少导致非导电样品所带来的荷电问题。
图2A - 聚焦X射线源和能量分析仪的配置
图2B - 聚焦和扫描X -射线的技术
XPS应用
例1 - 图3显示了 XPS氟的原始峰强度图，显示了150个分析点以及样品表面缺少润滑剂区域的对比图。
图3 - XPS氟的原始峰强度图
例2 - 图4显示了一个用7.5μm直径的X射线探测光束扫描出来焊料凸点和内侧的表征表面成分。XPS收集焊球表面及非焊球表面的光谱显示模具表面被铅高度污染，可能是来自焊膏回流过程。
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(b) |  |
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图4 - XPS下晶圆表征凸起的影像。（a）定量分析表单（b）X射线束诱发出来的焊点二次电子扫描图像 |
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例3 - 图 5显示了PET样品经过500V氩离子束和10kV C60离子束溅射得到的C 1s和O 1s高分辨率光谱图 。从图 5（a），展示不同溅射深度下O 1s谱图 (以深度为函数)以及不同深度下 C 1s谱图。同时O和C光谱还显示了在溅射时所造成的化学态变化。从图5（b）可以看到以C60离子束作溅射源，不同溅射深度下的C 1s和O 1s谱图形状几乎保持不变 。 C60溅射离子枪在去除聚合物表面的污染物和深度剖面有机薄膜对其样品表面造成损伤较小。
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(b) |  |
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图5 -（a）500V氩离子束溅射后的C 1s和O 1s光谱（b）10kVC60离子束溅射后的C 1s和O 1s光谱。 |
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总结
XPS是一种拥有从表面延伸抽样量的表面分析技术。另外，XPS可以应用于溅射深度剖析，通过量化矩阵级元素为函数来表征薄膜的特点 XPS是一种元素分析技术，它的独特之处可以提供检测元素的化学状态，如区分硫酸盐和硫化物形式的元素硫等。XPS经常用来分析无机化合物，金属合金，半导体，高分子材料，元素，催化剂，玻璃，陶瓷，油漆，纸张，油墨，木材，植物部分，化妆，牙齿，骨骼，医疗植入物，生物材料，粘性油，胶水，离子改性材料和其他许多材料。