| X射線光電子能譜儀（XPS） |
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| X射線光電子能譜是分析物質(zhì)表面化學(xué)性質(zhì)的一項(xiàng)技術(shù)。XPS可測(cè)量材料中元素組成、經(jīng)驗(yàn)公式、元素化學(xué)態(tài)和電子態(tài)。用一束X射線激發(fā)固體表面，同時(shí)測(cè)量被分析材料表面1－10nm內(nèi)發(fā)射出電子的動(dòng)能，而得到XPS譜。光電子譜記錄超過一定動(dòng)能的電子。光電子譜中出現(xiàn)的譜峰為原子中一定特征能量電子的發(fā)射。光電子譜峰的能量和強(qiáng)度可用于定性和定量分析所有表面元素（氫元素除外）。 |
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| 隨著對(duì)高性能材料需求的不斷增長(zhǎng)，表面工程隨之顯得越來越重要。只有了解材料層表面處和界面處的物理和化學(xué)相互作用，才能解決許多與現(xiàn)代材料相關(guān)的問題。 表面化學(xué)特性將影響材料的諸多方面，如腐蝕速率、催化活性、粘合性、表面潤(rùn)濕性、接觸勢(shì)壘和失效機(jī)理。 |
| 材料的表面是材料與外部環(huán)境及與其它材料相互作用的位置。所以，在許多應(yīng)用領(lǐng)域中，用表面修飾改變或改進(jìn)材料性能和特性。材料經(jīng)處理（如斷裂、切割或刮削）后，XPS可用于分析其化學(xué)特性。從不粘鍋涂層到薄膜電子學(xué)和生物活性表面，XPS成為表面材料表征的標(biāo)準(zhǔn)工具。 |
| 表面表征 | |
| 表面層定義為大于3個(gè)原子層厚度（~1 nm），根據(jù)不同材料，表面層厚度不同。認(rèn)為不超過約10納米表面層為超薄層薄膜，不超過1μm為薄膜。但是名詞術(shù)語并沒有明確定義，隨不同材料和應(yīng)用，表面層、超薄膜和薄膜之間差異有所變化。 表面表示一種相與另一種相之間的不連續(xù)，所以表面的物理化學(xué)性質(zhì)與體相物質(zhì)不同。這種差異在很大程度上影響材料最頂部原子層。在材料內(nèi)部按一定規(guī)則一個(gè)原子在各方向上被材料中的原子包圍。由于表面原子并不能在所有方向上被原子包圍，表面原子比體內(nèi)活潑，有可能成鍵。 |  |
| 表面特性 | |
| 材料的性能和改性處理隨深度或厚度而變化，對(duì)于一定性能和改性處理，隨深度變化顯得比較重要。表面分析可深入到每一個(gè)領(lǐng)域。在一些工藝技術(shù)領(lǐng)域中表面和表面分析較為重要，包括： | |
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| 光電發(fā)射過程 | |
| 原子或分子吸收X射線光子，電子被激發(fā)出來。光電子動(dòng)能依賴于光子能量(hν)和電子結(jié)合能（即電子離開表面所需能量）。 | |
| 通過測(cè)量發(fā)射電子的動(dòng)能，計(jì)算電子結(jié)合能，確定材料的近表面處元素及其化學(xué)態(tài)。結(jié)合能與許多因素有關(guān)，包括： * 發(fā)射電子的元素 * 發(fā)射電子的軌道 * 發(fā)射電子原子的化學(xué)環(huán)境 The photoemission process involved for XPS surface analysis. The discs represent electrons and the bars represent energy levels within the material being analyzed. The equation governing the process is: KE = hν - BE |  |
| 光電子能譜技術(shù) 為了說明XPS譜，在寬能量范圍內(nèi)掃描了一張氧化鋇的全譜。在這張譜上有多個(gè)鋇和氧的峰以及表面雜質(zhì)碳峰。用現(xiàn)代XPS能譜儀，這張氧化鋇的譜采集約10秒鐘。由于氧化鋇為絕緣體，在分析期間，在樣品上導(dǎo)入一束低能電子控制樣品荷電。在譜圖中譜峰下方出現(xiàn)了明顯的背景，這是由于電子在逃逸樣品前發(fā)生非彈性散射所致。這種非彈性散射降低了電子的動(dòng)能和譜峰的強(qiáng)度。定量分析譜之前必須扣除背景。 | |
| Survey spectrum from barium oxide showing various barium and oxygen peaks and a carbon peak. 氧化鋇全譜，圖中出現(xiàn)了鋇和氧的多個(gè)峰和碳峰。 |  |
| 從XPS譜中也可以確定化學(xué)價(jià)態(tài)。 此處給出兩種方法處理聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）的C1s XPS譜。這兩個(gè)樣品的處理方法不同，一個(gè)是旋涂，另一個(gè)是切片PET。PET中的碳原子出現(xiàn)了3種化學(xué)態(tài)。兩種處理方法導(dǎo)致了不同的聚合物構(gòu)形，也影響了XPS譜使得（－O－C－）峰發(fā)生微小移動(dòng)。 | |
| 聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（ PET ）旋涂和切片的 C1s 的 XPS 譜。碳有 3 個(gè)不同的化學(xué)態(tài)。內(nèi)插圖中給出了 PET 結(jié)構(gòu)。（英國(guó) Daresbury RUSTI, G Beamson 提供譜） |  |
