XPS

小課堂

上期我們介紹了XPS的重要參數(shù)能量分辨率與靈敏度之間的聯(lián)系，以及在實際操作中需要調(diào)節(jié)的參數(shù)——通能的基本概念，本期XPS小課堂將分享在具體的應(yīng)用中我們應(yīng)該如何選擇通能大小，以及如何在分析靈敏度和能量分辨率之間尋求更好的平衡。

了解儀器的性能和樣品的情況對測試XPS來說非常重要，通常來說首先應(yīng)該獲取樣品的寬掃描譜圖，以確定樣品中存在的元素，然后進行精細譜的掃描獲得元素的化學(xué)狀態(tài)信息。

01 寬譜掃描的通能選擇

寬譜掃描是在整個結(jié)合能范圍內(nèi)的低能量分辨率、高靈敏度的采集，采集的能量范圍為1200eV到-5eV。對于島津的XPS來說，寬譜的測試的通能通常建議為160eV，步進為1eV。在該通能下儀器處于高靈敏度的模式，痕量、低濃度的元素都可以在此模式下盡可能地被檢測到，高通能下可以獲得高計數(shù)率以及在短時間內(nèi)可獲得很好的信噪比。

圖1. 硅酸鹽顆粒負載Au催化劑

如上圖所示為硅酸鹽顆粒負載Au催化劑，該樣品表面Au的含量低于0.02%原子百分比，全掃譜圖表明硅酸鹽顆粒表面具有很強的O和Si元素信號，全掃譜圖局部放大圖中可以清晰的看到Au 4f 的雙峰。

但如上期所說擇較高的通能時，可以獲得更好的靈敏度，但同時分辨率會降低。在該采集條件下，很難確定元素的化學(xué)狀態(tài)。

為了確定樣品中元素的化學(xué)狀態(tài)，我們需要在較低的通能下進行窄譜掃描。

02 窄譜掃描的通能選擇

對于島津的XPS來說，通常建議采用通能40eV、20eV，步進0.1eV進行測試，可獲得高能量分辨率的窄譜,可以確定測試元素局部化學(xué)環(huán)境變化產(chǎn)生的化學(xué)位移。

樣品本身對能量分辨率也有影響，減小通能對于改善發(fā)射譜線本征寬度較小的譜線（如金屬單質(zhì)或高分子材料中的C 1s）會有比較明顯的效果。

圖2. 不同通能條件下C1s的高能量分辨光電子譜圖

如上圖所示，當(dāng)測試通能由80eV逐漸降低到5eV時，能明顯觀察到兩個化學(xué)態(tài)的光電子譜峰分的更開，也能觀察到更多的細節(jié)。

但對于本征線寬比較大的金屬氧化物測試而言，通常會采用通能40eV，在該通能下會有比較好的靈敏度，即使進一步的降低通能到20eV,對于分辨率的提高（相比于40eV）也非常有限，因為本征線寬比較大，通能的減小對分辨率提高的貢獻不大。

典型地說，20eV和40eV的通能對單質(zhì)的Fe 2p可以看出明顯的半高寬變化，但是對于Fe的氧化物2p峰來說，兩個通能下的分辨率卻差不多——為什么呢？因為Fe氧化以后，F(xiàn)e原子（離子）趨于穩(wěn)定，2p軌道的能級壽命變短，導(dǎo)致發(fā)射譜線的線寬變大，即Fe的WA變大了，通能從40eV變到20eV時導(dǎo)致的WD變小不足以在測量譜線的線寬W有明顯的變化，但是對于Fe單質(zhì)而言，WA足夠小，通能從40eV變到20eV時導(dǎo)致的WD變小能夠?qū)е聹y量譜線的線寬W有明顯的變化！

03小結(jié)

XPS的測試，從本質(zhì)上講，就是在譜線分辨率和靈敏度之間找到一個較好的平衡點——看得見的基礎(chǔ)上要分得開！

在測量金屬單質(zhì)和本征線寬較小的譜線（如高分子材料的C 1s）時，減小通能可以明顯地看到測量譜線在變窄，但是在測量金屬氧化物的時候，往往40eV的通能和20eV的通能在譜線分辨率方面差異不大，但是強度卻下降不少（對數(shù)關(guān)系哦）。所以，我們經(jīng)常使用的40eV或20eV的通能，就是這樣的兩個平衡點——20eV在分得開方面做得更好一點，對復(fù)雜的化學(xué)狀態(tài)分辨（金屬單質(zhì)和高分子材料的C和O）更適合；而40eV的通能在看得見的方面做得更好一點，對于含量較低的元素（金屬的氧化物）分析更適合。

當(dāng)然，有時候要做更極限的分辨，如sp2和sp3雜化的C，可能要用到更小的通能10eV甚至5eV了，那時候靈敏度下降的更厲害一些，需要使用更高的功率和更多次的掃描才能獲得信噪比更好的譜線了。

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