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2024年3月19日发(作者：)

X光电子能谱分析的基本原理

一定能量的X光照射到样品表面，和待测物质发生作用，可以

使待测物质原子中的电子脱离原子成为自由电子。该过程可用下式表

示:

hn=Ek+Eb+Er （10.3）

式中: hn：X光子的能量；

Ek：光电子的能量；

Eb：电子的结合能；

Er：原子的反冲能量。

其中Er很小，可以忽略。对于固体样品，计算结合能的参考点

不是选真空中的静止电子，而是选用费米能级，由内层电子跃迁到费

米能级消耗的能量为结合能Eb，由费米能级进入真空成为自由电子

所需的能量为功函数Φ，剩余的能量成为自由电子的动能Ek，式(103)

又可表示为：

hn=Ek+Eb+Φ （10.4）

Eb= hn- Ek-Φ （10.5）

仪器材料的功函数Φ是一个定值，约为4eV，入射X光子能量

已知，这样，如果测出电子的动能Ek，便可得到固体样品电子的结

合能。各种原子，分子的轨道电子结合能是一定的。因此，通过对样

品产生的光子能量的测定，就可以了解样品中元素的组成。元素所处

的化学环境不同，其结合能会有微小的差别，这种由化学环境不同引

起的结合能的微小差别叫化学位移，由化学位移的大小可以确定元素

所处的状态。例如某元素失去电子成为离子后，其结合能会增加，如

果得到电子成为负离子，则结合能会降低。因此，利用化学位移值可

以分析元素的化合价和存在形式。 阿

X光电子能谱法是一种表面分析方法，提供的是样品表面的元素

含量与形态，而不是样品整体的成分。其信息深度约为3-5nm。如

果利用离子作为剥离手段，利用XPS作为分析方法，则可以实现对

样品的深度分析。固体样品中除氢、氦之外的所有元素都可以进行

XPS分析。

XPS的应用

XPS主要应用是测定电子的结合能来实现对表面元素的定性分

析。图10.12是高纯铝基片上沉积Ti(CN)x薄膜的XPS谱图。所用

X射线源为MgKα，谱图中的每个峰表示被

X射线激发出来的光电子，根据光电子能量。可以标识出是从哪个元

素的哪个轨道激发出来的电子，如Al的2s、2p等。由谱图可知，

该薄膜表面主要有Ti, N, C, O和Al元素存在。这样就可以实现对表

面元素的定性分析。定性的标记工作可以由计算机来进行。但由于各

种各样的干扰因素的存在，如荷电效应导致的结合能偏移，X射线激

发的俄歇电子峰等，因此，分析结果时需要注意。

XPS谱图中峰的高低表示这种能量的电子数目的多少，也即相

本文标签： 电子能量元素结合能样品

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