X射線能譜儀的使用原理及應用

在許多材料的研究與應用中，需要用到一些特殊的儀器來對各種材料從成分和結構等方面進行分析研究。其中，X射線能譜儀(XPS)就是常用儀器之一。下面詳細介紹一下X射線能譜儀的基本原理、結構、優缺點及應用。
 

X射線能譜儀的簡介

X射線光電子能譜(XPS)也被稱作化學分析用電子能譜(ESCA)。該方法是在六十年代由瑞典科學家Kai Siegbahn教授發展起來的。由于在光電子能譜的理論和技術上的重大貢獻，1981年，Kai  Siegbahn獲得了諾貝爾物理獎。三十多年的來，X射線光電子能譜無論在理論上和實驗技術上都已獲得了長足的發展。XPS已從剛開始主要用來對化學元素的定性分析，已發展為表面元素定性、半定量分析及元素化學價態分析的重要手段。XPS的研究領域也不再局限于傳統的化學分析，而擴展到現代迅猛發展的材料學科。目前該分析方法在日常表面分析工作中的份額約50%，是一種最主要的表面分析工具。
 

X射線能譜儀工作的基本原理

X射線能譜儀為掃描電鏡附件，其原理為電子槍發射的高能電子由電子光學系統中的兩級電磁透鏡聚焦成很細的電子束來激發樣品室中的樣品，從而產生背散射電子，二次電子、俄歇電子、吸收電子、透射電子、X射線和陰極熒光等多種信息。若X射線光子由Si(Li)探測器接收后給出電脈沖訊號，由于X射線光子能量不同(對某一元素能量為一不變量)經過放大整形后 送人多道脈沖分析器，通過顯象管就可以觀察按照特征X射線能量展開的圖譜。一定能量上的圖譜表示一定元素，圖譜上峰的高低反映樣品中元素的含量(量子的數目)這就是X射線能譜儀的基本原理。
 

X射線能譜儀的結構

能譜儀由半導體探測器、前置放大器和多道脈沖分析器組成。它是利用X射線光子的能量來進行元素分析的。X射線光子有鋰漂移硅Si(Li)探測器接收后給出電脈沖信號，該信號的幅度隨X射線光子的能量不同而不同。脈沖信號再經放大器放大整形后，送入多道脈沖高度分析器，然后根據X射線光子的能量和強度區分樣品的種類和高度。
 

X射線能譜儀的優點與缺點

1、X射線能譜儀的優點

(1) 能快速、同時對除H和He以外的所有元素進行元素定性、定量分析，幾分鐘內就可完成；可以直接測定來自樣品單個能級光電發射電子的能量分布，且直接得到電子能級結構的信息。

(2) 對試樣與探測器的幾何位置要求低：對W.D的要求不是很嚴格；可以在低倍率下獲得X射線掃描、面分布結果。

(3) 能譜所需探針電流小，是一種無損分析。對電子束照射后易損傷的試樣，例如生物試樣、快離子試樣、玻璃等損傷小。

(4) 是一種高靈敏超微量表面分析技術。分析所需試樣約8-10g即可，靈敏度高達10-18g，樣品分析深度約2nm。
 

2、X射線能譜儀的缺點

(1) 分辨率低，比X射線波長色散譜儀的分辨率(~10電子伏)要低十幾倍；

(2) 峰背比低(約為100)，比X射線波長色散譜儀的要低10倍，定量分析尚存在一些困難；

(3) Si(Li)探測器必須在液氮溫度下保存和使用，因此要保證液氮的連線供應；

(4) 不能分析Z小于11的元素，分辨率、探測極限以及分析精度都不如波譜儀。因此，它常常跟波譜儀配合使用。

X射線能譜儀的應用

 1、元素定性分析

 元素周期表中的任何一種元素都有各自的原子結構，與其他元素不同，正是這種結構的不同，使得每種元素有自己的特征能譜圖，所以測定一條或幾條電子線在圖譜中的位置，很容易識別出樣品顯示的譜線屬于哪種元素。由于每種元素都有自己的特定的電子線，即使是相鄰的元素也不可能出現誤判，因此用這種方法進行定性分析是非常準確的。通過對樣品進行全掃描，在一次測定中就可以檢出全部或大部分元素
 

2、元素定量分折

 X射線光電子能譜定量分析的依據是光電子譜線的強度(光電子蜂的面積)反映了原于的含量或相對濃度。由于在進行元素電子掃描時所測得的信號的強度是樣品物質含量的函數，因此，根據所得電子線的強弱程度可以半定量或定量地得出所測元素的含量。之所以有半定量的概念，是因為影響信號強弱的因素除了樣品中元素的濃度外，還與電子的平均自由行程和樣品材料對激發X射線的吸收系數有關。在實際分析中，采用與標準樣品相比較的方法來對元素進行定量分析，其分析精度達1%～2%。
 

3、固體表面分析

固體表面是指最外層的1～10個原子層，其厚度大概是 (0.1~1) n nm。人們早已認識到在固體表面存在有一個與團體內部的組成和性質不同的相。表面研究包括分析表面的元素組成和化學組成，原子價態，表面能態分布。測定表面原子的電子云分布和能級結構等。
 

4、化合物結構鑒定

X射線光電子能譜法對于內殼層電子結合能化學位移的精確測量，能提供化學鍵和電荷分布方面的信息。化學結構的變化和化合物氧化狀態的變，可以引起電子線峰位的有規律的移動。據此，可以分析有機物、無機物的結構和化學組成。

X射線能譜是最常用的分析工具。在表面吸附、催化、金屬的氧化和腐蝕、半導體、電極鈍化、薄膜材料等方面都有應用。目前X射線能譜儀已成為實驗研究及分析技術中常用的工具，其測量意義重大。今后X能譜儀還需在分辨率、峰背比、使用范圍、探測精度等做更進一步的完善和改進。隨著科學技術的不斷發展，更加優良的X射線能譜儀將應用于更多的部門和領域。