XPS (x射线光电子能谱)是一种对薄膜和固体表面进行定量化学表征的有效方法。本文将简要介绍XPS过程和仪器，然后举例说明该技术在涂层表面分析中的作用。

为什么表面分析是必要的?

所有的固体材料都通过188金宝搏bet官网其表面与周围环境相互作用。因此，任何材料的表面性能都必须适合所提出的应用。现代高性能材料只有在其表面性能得到正确设计的情况下188金宝搏bet官网才适合其预期用途。表面在很多材料中都非常重要。188金宝搏bet官网一些例子是:玻璃，油漆表面，金属，聚合物，生物材料和半导体器件。188金宝搏bet官网

表面性能工程的需要引起了对表面详细的化学表征的要求。XPS为表面和薄膜的定量化学分析提供了一种方法，因此对表面工程师来说是一种有价值的工具。

什么是XPS?

顾名思义，XPS依赖于爱因斯坦的光电效应，即x射线光子从原子或分子中移除一个电子，前提是光子有足够的能量。该电子的动能取决于光子能量和去除电子所需的能量(结合能)，根据以下公式:



结合能=光子能-动能



在XPS中，发射电子的动能被测量，因此，知道了光子能量，就可以计算结合能。根据结合能，不仅可以确定表面的元素组成，而且还可以确定材料中元素的化学状态。基本的XPS过程如图1所示。

为什么是XPS表面专用?

当x射线击中固体时，它们会深入材料，在整个路径上产生光电发射。然而，当光电子穿过材料时，它们会发生碰撞，从而损失能量。这些电子对光电子能谱中的峰值没有贡献，而且许多电子无法逃离固体。只有靠近表面的光电子(根据材料的不同，在顶部5到10纳米范围内)才有机会在没有能量损失的情况下逃逸。这些是谱仪无法检测到的。

XPS光谱仪组件

图2显示了一个现代XPS仪器的示意图，Thermo Scientific K-Alpha。XPS光谱仪需要x射线源。在现代仪器中，x射线单色仪将Al K-Alpha x射线传送到表面(光子能量= 1486.6 eV)。利用这种能量可以探测除氢和氦以外的所有元素。非单色x射线源继续被使用，源产生的光子能量取决于用于x射线阳极的材料。

发射电子的动能通常是用半球形电子能量分析仪测量的，如图3所示。在这种分析仪中，发射的电子通过静电透镜或电磁透镜聚焦到两个同心半球形电极之间的间隙中。通过在电极上施加电压，可以确保只有很小能量范围的电子可以到达探测器。通过扫描这些电压，可以产生一个结合能谱。

典型的XPS测量分为两部分，测量光谱和一组窄(或高分辨率)光谱。测量光谱用于确定固体材料表面存在哪些元素。图4所示的示例是来自氧化含氟聚合物的测量光谱，从中可以看出存在碳、氟和氧。

由该谱得出的量化表如表1所示。

然后以更高的分辨率收集窄扫描，以确定每种元素存在的化学状态。图5显示了图4的c1s区域的窄扫描，其中样品中存在的碳的各种化学状态已被标记。

将XPS与离子束结合使用，可以构建浓度深度剖面。为此，分析和蚀刻步骤交替进行，如图6所示。周期数和每个周期的蚀刻时间取决于所需的蚀刻深度。使用典型的XPS仪器可访问的深度范围可达约1 μ m。

XPS在涂料和界面中的应用实例

漆表面
有一系列的问题会影响油漆表面的生产。这些缺陷包括严重的缺陷，如漆膜的剥落或分层，以及更微妙的影响，如斑驳或陨石坑缺陷。失败的原因有很多。例如，涂层前表面的污染会导致漆膜附着力差。或者，问题可能发生在涂层本身，如一旦应用组件的分离。XPS是一种非常表面敏感的技术，是确定特定故障原因的理想分析工具。在这个例子中，正在调查的缺陷是一个火山口缺陷，它在薄膜中表现为一个中心凸起的浅碗。

XPS系统光学系统的光学图像如图8所示(弹坑中心用箭头表示)。通过对x射线束下的阶段进行光栅化，并在每个点上收集128通道快照光谱来收集缺陷的XPS图像。

通过从中心和边缘获取宽扫描测量光谱来研究缺陷，以识别存在的元素，然后映射以生成存在的化学物质的XPS图像。原子浓度图像如图9所示。可以看到，在陨石坑的中心有锡，但在表面的任何地方都没有。相反，N1s和O1s信号在同一点耗竭。通过峰值拟合与图像的每个像素相关联的光谱，可以获得化学状态图像，例如为C1s化学状态所示的图像。再次，可以看到，与陨石坑的其他部分相比，缺陷中心的碳化学存在差异。C-C/C-H组分在缺陷中心浓度较高。

光谱可以从图像中进行回顾性提取。在图10中，红色光谱是通过平均图9中O1s图像上红框标记的区域来创建的。蓝色光谱是通过对蓝框所包围像素内的光谱进行平均得到的。我们可以再次清楚地看到各个区域之间的差异。特别是C1s谱中C-C/C-H峰强度的增加(用箭头表示)非常明显。N1s峰强度的降低和低结合能O1s组分(再次用箭头标记)也很容易从这个回顾性光谱过程中得到证明。

这表明，锡颗粒的存在不仅会导致物理缺陷(即陨石坑结构)，而且还会影响该位置漆膜的化学性质。

结论

XPS是一种功能强大的分析工具，可以提供表面和薄膜的定量、空间分辨、化学状态分析。本文证明了从涂层表面可以获得定量的化学状态信息。成像和小面积光谱的结合可以用来建立特征和涂层内缺陷的性质。结合XPS光谱和离子束溅射提供了有关薄膜结构和组成以及界面区域化学的有价值的信息。K-Alpha代表了最新的最先进的XPS光谱仪，旨在解决广泛的表面和界面材料表征问题，特别适合于涂层表面的分析。188金宝搏bet官网

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