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2024年3月19日发(作者：)

表面分析神器丨XPS基本原理、仪器结构和使用方法、实验技术、实验实例

X-射线光电子谱仪（X-ray Photoelectron Spectroscopy，简称为XPS），经

常又被称为化学分析用电子谱（Electron Spectroscopy for Chemical Analysis，简

称为ESCA），是一种最主要的表面分析工具。

XPS作为当代谱学领域中最活跃的分支之一，它除了可以根据测得的电子结合能

确定样品的化学成份外，XPS最重要的应用在于确定元素的化合状态。XPS可以分析

导体、半导体甚至绝缘体表面的价态，这也是XPS的一大特色，是区别于其它表面分

析方法的主要特点。此外，配合离子束剥离技术和变角XPS技术，还可以进行薄膜材

料的深度分析和界面分析。

基 本 原 理

XPS方法的理论基础是爱因斯坦光电定律。用一束具有一定能量的X射线照射

固体样品，入射光子与样品相互作用，光子被吸收而将其能量转移给原子的某一壳层

上被束缚的电子，此时电子把所得能量的一部分用来克服结合能和功函数，余下的能

量作为它的动能而发射出来，成为光电子，这个过程就是光电效应。

该过程可用公式表示：hγ=E

k

+E

b

+E

r

（1）

hγ：X光子的能量（h为普朗克常数，γ为光的频率）；E

k

：光电子的能量；E

b

：

电子的结合能；E

r

：原子的反冲能量。

其中E

r

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E

b

，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。

公式（1）还可表示为：

E

k

= hγ- E

b

-Φ

E

b

= hγ- E

k

-Φ

仪器材料的功函数Φ是一个定值（谱仪的功函数），约为4eV，入射光子能量已

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。原子能级中电

子的结合能(Binding Energy，简称为B.E.)。 其值等于把电子从所在的能级转移到

Fermi能级时所需的能量。

本文标签： 电子能量结合能能级分析

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