X射线光电子能谱技术及其应用

X射线光电子能谱法(XPS)是最重要且使用最广泛的表面分析技术。较为全面地介绍了X射线能谱法,内容涵盖原理、分析方法、应用及技术进展。原理介绍基于理工科大学本科层级的知识,阐述了XPS的科学原理以及仪器原理;分析方法部分概述了分析的关键步骤及要点;应用部分以热门研究的材料类型分类(催化剂、生物材料、碳材料、高分子材料等)进行介绍,介绍的同时兼顾介绍了X射线光电子能谱法的一些常用技术以及在各种材料中的应用特点。本文旨在帮助该领域的初学者,包括尚未完全熟悉该技术的研究人员、研究生和X射线光电子能谱从业人员,使他们能够全面了解X射线光电子能谱技术。

X射线光电子能谱荷电校准方法研究进展

X射线光电子能谱(XPS)测试结果通常存在误差,受环境、仪器等影响,测试所得到的样品结合能数值会偏移实际值。常用的C 1s峰校准方法在一些测量情况下存在一定的局限性,甚至获得的图谱会产生偏移或畸变。针对此问题,分析了表面充电原理以及C 1s峰校准方法的不适用情况,总结了多种荷电校准方法,并讨论了每个方法的应用条件及其优缺点。

硬X射线光电子能谱在半导体材料和器件中的应用

与常规X射线光电子能谱(XPS,能量E<2 keV))相比,硬X射线光电子能谱(HAXPES)由于采用较高能量的X射线(E>2 keV),具有更大的探测深度,已经成为研究复杂材料体系的体性质,以及多层薄膜结构和纳米复合结构界面性质的重要分析工具。简要论述了HAXPES的主要特点及其发展现状,重点介绍其在半导体材料和器件研究中的典型应用,包含亚表面性质、极性判定、异质结能带结构、掺杂原子空间位置信息、器件层中界面态、介质层厚度评估等方面。随着硬X射线光源技术的不断发展,HAXPES的性能将进一步提高,其应用范围也会快速拓展,这将极大地促进功能材料的发展和应用。

304不锈钢钝化膜的X射线光电子能谱刻蚀研究

通过X射线衍射仪测试了304不锈钢表面钝化膜物相组成物。通过X射线光电子能谱仪中单原子氩离子和团簇离子枪采用不同的电压及不同时间对304不锈钢表面进行刻蚀;分析了电压及时间对304不锈钢表面元素化合态影响。采用深度剖析法检测了钝化膜垂直于样品表面纵深元素分布。结果表明:不锈钢钝化膜外层为铁氧化物,内层为铬氧化物,钝化膜厚度约为120 nm。

X射线光电子能谱仪应用于本科实验教学的实践

X射线光电子能谱(XPS)是先进的表面分析技术,将其应用于本科实验教学中,有助于拓宽学生的专业视野,提升其科研素养。在开展实验教学过程中,通过精选实验内容,优化实验教学流程,使得学生有效掌握XPS的工作原理及知识要点;以学生为中心灵活调整教学方式,引导学生转换角色,激发其内在学习动力,从而增强分析问题和解决问题的能力。

X射线光电子能谱在镁合金研究中的应用

X射线光电子能谱技术作为一种十分有效且应用广泛的表面分析技术,在镁合金领域尤其是解决其表面腐蚀、氧化等问题上具有独特的优势。介绍了近年来X射线光电子能谱在镁合金研究中的应用,阐述了X射线光电子能谱在镁合金的元素组成与含量、化学态分析及关键组分分析中的应用,从而表明其在镁合金材料表面性质分析及腐蚀、磨损机理研究方面的重要作用,并就其应用前景提出了展望。

正负压一体式无空气X射线光电子能谱原位转移仓的开发及研制

针对空气敏感材料的表面分析,为了获得更加真实的表面组成与结构信息,需要提供一个可以保护样品从制备完成到分析表征过程中不接触大气环境的装置.通过使用O圈密封和单向密封柱,提出一种简便且有效的设计概念,自主研制了正负压一体式无空气X射线光电子能谱(XPS)原位转移仓,用于空气敏感材料的XPS测试,利用单向密封柱实现不同工作需求下正负压两种模式的任意切换.通过对空气敏感的金属Li片和CuCl粉末进行XPS分析表明,采用XPS原位转移仓正压和负压模式均可有效避免样品表面接触空气,保证测试结果准确可靠,而且采用正压密封方式转移样品可以提供更长的密封时效性.研制的原位转移仓具有设计小巧、操作简便、成本低、密封效果好的特点,适合给有需求的用户开放使用.

基于X射线光电子能谱的绝缘栅双极型晶体管失效分析

绝缘栅双极晶体管(IGBT)作为功率变流器的核心器件,其稳定状态在一定程度上决定了整个功率变流器的可靠性.国内某公司生产的一款IGBT模块在使用中出现过电压应力失效而被击穿,将其拆封后发现模块内部存在黑色枝状物,采用X射线光电子能谱法(XPS)对其进行失效分析,发现黑色枝状物的组成为金属硫化物及硫酸盐.通过元素定性、定量与化学态分析为模块实际应用中的失效机制提供了科学指导.进一步结合XPS数据结果详细分析了可能的硫物种污染来源,并针对器件封装材料和使用环境提出了改进和预防措施.

结合高分辨率X射线光电子能谱和拉曼散射研究Ge_(x)Ga_(8)S_(92-x)玻璃结构

本文在固定Ga原子含量为8%的情况下,结合高分辨率X射线光电子能谱和拉曼散射光谱对硫系玻璃Ge_(x)Ga_(8)S_(92-x)(x=24%,26.67%,29.6%,32%和36%)的结构进行了研究.通过分析玻璃结构中各单元结构的演变情况,发现玻璃内部网络结构主要为S原子桥接GeS_(4)和GaS_(4)四面体结构.随着Ge含量的逐渐增大,S链状或环状结构单元迅速减少,并消失于Ge_(26.67)Ga_(8)S_(65.33)玻璃组分中;而类乙烷结构S_(3)Ge-GeS_(3)中的Ge—Ge同极键和S_(3)Ge/Ga-Ga/GeS_(3)结构中的M—M(Ge—Ge,Ga—Ga或Ge—Ga)同极键同时出现于Ge_(29.6)Ga_(8)S_(62.4)玻璃中,并且其结构数量随着Ge含量的增大而逐渐增加.由此可以判定,首先,在硫系玻璃Ge_(x)Ga_(8)S_(92-x)结构中Ge和Ga原子均主要以4配位的形式出现,而S原子则主要以2配位的形式出现.其次,M—M键的存在导致纳米相分离,玻璃网络结构的有序化程度降低.

X射线光电子能谱确定铜川煤及其焦中氮的形态

利用X射线光电子能谱 (XPS) ,实验研究了铜川煤及其煤焦中氮的形态 ,探讨了煤受热放出挥发分过程中氮的迁移规律 .实验研究结果表明 :铜川煤中的氮有 4种形态 ,即吡啶 (N 6)、吡咯 (N 5)、质子吡啶 (N Q)和氮氧化物 (N X) ;在煤的低温热解过程中 ,N Q可以转化为N 5,而N 5在热解温度不高时 ,较难释放出来 ,多保留于煤焦之中 ;煤中N X的形成是煤长期保存于空气中的结果 ;在煤的热解过程中 ,N X将随挥发分一起释放出来 ,其释放量取决于热解温度 ,随着热解温度的升高 ,N X在煤焦中的含量下降 ,在煤的高温热解过程中 ,N X将全部进入挥发分中 .

X射线光电子能谱在材料表面研究中的应用

通过阐述XPS测试原理及工作特点,讨论其在材料表面研究中的具体应用。通过光电子谱峰位置、形状和强度,可以分析元素价态、含量。角分辨XPS可以检测超薄样品表面的化学状态,成像XPS可以显示样品表面的元素和价态分布,从而进行微区分析。利用氩离子刻蚀进行深度剖析,可以研究样品化学状态随深度的变化关系。

竹木质素的红外光谱与X射线光电子能谱分析

应用傅里叶转换红外光谱(FTIR)和X射线光电子能谱(XPS),研究了3种提纯方法得到的竹木质素及其化学反应产物的化学结构特性.确定竹木质素C1s的电子结合能分别为283.52(C—H或C—C),284.58～285.72(C—OR或C—OH),286.10～286.44(C=O或HO—C—OR),287.65～287.72(O—C=O)eV.O1s的电子结合能分别为530.31(羟基氧原子),531.45～531.72(醛或酮的羰基氧原子),532.73～533.74(酯键或羧酸中的羰基氧原子)eV.竹木质素中的结构单元之间主要是通过醚键和碳碳单键连接,慈竹磨木木质素结构单元中醚键、碳碳单键、酯键、羰基和烯双键的比例为100∶63∶32∶40∶32(49.3∶31.0∶16.0∶19.9∶16.0).

利用X射线光电子能谱确定煤及其残焦中硫的形态

利用X射线光电子能谱(XPS)技术分析了宜宾煤及其释放出挥发分后残焦中硫的形态,研究了煤中的硫在挥发分释放过程中的迁移规律.结果表明:XPS能够鉴别出宜宾煤中的硫;宜宾煤的S2p图谱有2个需要解叠的峰,分别位于163～164eV和169～171eV之间,这主要是由煤中的硫化铁和硫酸盐引起的;宜宾煤中含有硫砜,但不含亚砜.残焦的分析结果表明,在900℃加热条件下,宜宾煤在释放挥发分的同时,其中的部分燃料硫能够转化为硫酸盐和亚硫酸盐并被固定在残焦之中.在煤的挥发分释放过程中,也有部分燃料硫与挥发分一起释放出来,其份额与加热温度有关,随温度的升高而增加.

不同结晶指数纤维素的X射线光电子能谱分析

以离子液体处理纤维素得到不同结晶指数(Icr)的纤维素样品。对所得样品首次采用X射线光电子能谱(XPS)的C1 s能谱图与O1 s能谱图,来分析不同结晶指数纤维素分子的化学状态。结合纤维素固体核磁共振(CP/MAS13C NMR)的分析结果可知,纤维素的C2峰及O1 s1峰与纤维素大分子中的氢键关系密切,其峰面积相对含量与纤维素的Icr值呈现高度相关性,相关系数分别为r10.9992和r20.9679。

X射线光电子能谱分析钒渣熟料中钒的价态

将转炉钒渣和碳酸钠混合,在800℃下通过控制空气氧化时间制备一系列氧化程度不同的钒渣熟料,对这些熟料进行水浸试验与X射线衍射(XRD)物相分析,并使用X射线光电子能谱(XPS)分析法,对钒渣熟料中钒元素的价态进行了定量研究。试验结果表明,XPS全谱得到的钒渣熟料元素与原始成分基本相符。窄扫图谱拟合过程得到了熟料各价态V 2p3/2的结合能与半峰高宽的数据,钒价态拟合结果显示随着氧化时间的增加,熟料中V(Ⅴ)和V(Ⅲ)含量分别增加和减少,V(Ⅳ)含量先升高后降低,结果与熟料的水浸结果以及XRD分析结果相符。

镀锡钢板铬酸盐钝化膜的X射线光电子谱分析

使用X射线光电子能谱(XPS)全元素扫描分析方法对镀锡钢板铬酸盐钝化膜的成分进行了分析研究.结果表明,组成钝化膜的主要元素为Cr,O,Sn和C.通过Ar+溅射对钝化膜进行深度剖析表明,C元素来自于表面的污染而不是膜层本身;Cr和O元素随着Ar+溅射的进行含量逐渐降低,而Sn元素的含量却逐渐增加.溅射约360 s后,Sn元素的含量已达到了80%以上,此时所对应的钝化膜的厚度约为20 nm.通过窄幅扫描对钝化膜的相组成进行了分析,结果表明钝化膜主要由Cr(OH)3,Cr2O3,Sn及其氧化物构成.

镀锡钢板铬酸盐钝化膜中铬的X射线光电子能谱分析

使用X射线光电子能谱(XPS)分析方法,对镀锡铬酸盐钝化钢板中铬元素的含量、价态以及不同价态化合物的含量进行了研究,并对镀锡钢板铬酸盐钝化膜的形成机理进行了探讨。结果表明,钝化膜中主要含有Cr,O以及Sn元素。在给定的钝化处理工艺条件下,镀锡铬酸盐钝化钢板中铬元素主要是以Cr(OH)3,Cr单质以及Cr2O3的形态存在,在检测中没有发现六价铬离子。铬酸盐钝化膜中Cr,Cr2O3和Cr(OH)3的质量分数分别是2.0%,9.5%,7.5%。

X射线光电子能谱分析羊毛表面结构的研究

用ＸＰＳ测定羊毛表面结构时，纤维聚集越紧密，测试的灵敏度越高。羊毛经Ａｒ＋溅射后，表面的Ｃ含量有所增加。羊毛表面的Ｓ元素主要以Ｓ（Ⅱ）和Ｓ（Ⅵ）形式存在。离子溅射后羊毛表面Ｓ（Ⅵ）／Ｓ（Ⅱ）的比例明显减少。

纳米二氧化硅表面接枝的X射线光电子能谱研究

在纳米SiO2表面接枝聚缩醛可在粒子表面建立起空间位阻稳定层,提高纳米粒子的分散稳定性,增强纳米粒子与树脂基体的相容性。X射线光电子能谱(XPS)的分析结果表明,经过聚缩醛接枝改性的纳米SiO2的Si2p峰明显降低,结合能减小0.7eV,对C1s峰精细扫描及分峰拟合表明表面碳元素中有66.34%属于接枝物聚缩醛的有机碳,证明纳米SiO2表面形成了良好的修饰层,修饰层以化学键结合于纳米SiO2表面,同时根据XPS和热失重(TG)分析的数据结果,可以推测聚缩醛主要分布在纳米SiO2的表面,而在体相中独立存在的几率较小。

X射线光电子能谱与^(13)C核磁共振在生物质碳表征中的应用

近年来,生物质碳(biochar)作为新型吸附剂被广泛研究。但由于制备biochar的生物质原料和热解温度的不同,使biochar的结构和组成存在差异,从而影响其对污染物的吸附。目前关于biochar的结构和组成的研究还不够全面。因此,结合了能谱与光谱分析的手段,对biochar的结构和组成进行了深入的分析。选取木质类(柳树枝条)和草类(水稻秸秆)作为原料,分别在不同热解温度(300,450和600℃)下制得biochars,并对biochars样品进行元素分析、X射线光电子能谱分析(XPS)和固态13 C核磁共振(13 C NMR)研究,以阐明不同热解温度和生物质来源的biochars的结构和组成。结果显示:biochar的H/C,O/C和(O+N)/C的比值随着热解温度的升高而降低;草类biochar比木质类biochar具有更高的灰分含量和表面极性;木质类biochar的矿物主要分布在样品颗粒内部,其表面被有机质覆盖,而草类biochar部分矿物暴露在样品颗粒表面;13 C NMR显示低温制得的biochar主要由芳香碳、脂肪碳、羧基和羰基碳组成,高温制得的biochar主要由芳香碳组成,且低温制得biochars中,木质类biochars比草类biochars含有更高的木质素的残留碳结构,这是由于木质类biochars原材料中含有更高的木质素。