XPS三部曲
（一） 光电子能谱与固体表面信息
对于XPS，可能很多人都不能清楚地知道他的中文全称。因此我们写这篇文章的初衷是让用到XPS或即将用到XPS的人对XPS有一个初步的了解。
XPS全称Multifunctional X-ray Photoelectron Spectroscope, 多功能X-射线光电子能谱仪。宁波材料所测试中心现有XPS的型号为Kratos AXIS ULTRADLD（原英国厂家，后被日本收购）。
听过不少学生称这台仪器为“变形金刚”，它跟其他仪器一样分为进样室、分析室、数据处理系统，只不过因为它的超高真空系统让这台仪器对每一步的要求都相对提高了一些。姑且先不理会这些让人头晕的造型，我们先通过几个问题来一步步了解与自己测试相关的基础知识。
XPS是光电子能谱，那么
问题1：什么是电子能谱？
电子能谱（photoelectron spectroscopy），利用光电效应的原理测量单色辐射从样品上打出来的光电子的动能（并由此转化为结合能，通过结合能推算样品信息）、光电子强度和这些电子的角分布，并应用这些信息来研究原子、分子、凝聚相，尤其是固体表面的电子结构的技术。对固体而言，光电子能谱是一项表面灵敏的技术。虽然入射光子能穿入固体的深部，但只有固体表面下20～30埃（1埃=0.1nm， 20~30埃约2~3nm，但实际是不同样品深度不同）的一薄层中的光电子能逃逸出来，因此光电子反映的是固体表面的信息。
问题2：我们为什么要掌握固体表面的信息？
所有固体材料通过它们表面与其所处的环境发生相互作用。这些表面的物理和化学组分决定着界面的性质。材料的表面化学性质将影响许多系数，如腐蚀速度、催化剂活性、黏结特性、浸润性、接触电势和失效机制。所以表面影响许多重要的固体特性。表面信息的重要性毋庸置疑。
问题3：我们所用到的用来测试表面信息的电子能谱分为哪几类?
电子能谱根据激发源的不同分为：
1）俄歇电子能谱（Auger electron spectroscopy，简称AES），是一种利用高能电子束为激发源的表面科学和材料科学的分析技术。因此技术主要借由俄歇效应进行分析而命名之。AES分析区域受激原子发射出具有元素特征的俄歇电子。俄歇效应系产生于受激发的原子的外层电子跳至低能阶所放出的能量被其他外层电子吸收而使后者逃脱离开原子，这一连串事件称为俄歇效应，而逃脱出来的电子称为俄歇电子。
2）紫外光电子能谱（Ultroviolet Photoelectron Spectrometer，简称UPS）以紫外线为激发光源的光电子能谱。激发源的光子能量较低，该光子产生于激发原子或离子的退激，最常用的低能光子源为氦Ⅰ和氦Ⅱ。由于紫外光电子能谱的光源能量较低，线宽较窄（约为0.01eV),只能使原子的外层价电子、价带电子电离，并可分辨出分子的振动能级,我们一般用来研究 固体样品表面的原子、电子结构。
3）X-射线光电子能谱技术（X-ray Photoelectron Spectroscope，简称XPS），又化学分析电子能谱（Electron Spectroscopy for Chemical Analysis），它是电子材料与元器件显微分析中的一种先进分析技术。由于它可以比俄歇电子能谱技术更准确地测量原子的内层电子束缚能及其化学位移，所以它不但为化学研究提供分子结构和原子价态方面的信息，还能为电子材料研究提供各种化合物的元素组成和含量、 化学状态、分子结构、 化学键方面的信息。它在分析电子材料时，不但可提供总体方面的化学信息，还能给出表面、微小区域和深度分布方面 的信息。 另外，因为 入射到样品表面的X射线束是一种光子束，所以对样品的破坏性非常小。这一点对分析有机材料和高分子材料非常有利。
宁波材料所测试中心这三种能谱以附件形式都有配置，最常用的是X射线光电子能谱技术（XPS），占到测试量的90%，其余是根据一些课题组需求测试的紫外光电子能谱UPS。但因为UPS和XPS相比样品要求较高，仪器气路不同，操作相对更复杂，且因信号过强对检测器损伤较大，所以一般各个课题组凑齐样品一起测试。而对于AES，XPS除了能更准确地测量原子的内层电子束缚能及其化学位移，在半定量分析上也较容易进行，AES数据的半定量结果非常复杂，一般所达到的精度不太高，所以较不常用。
问题4：X射线光电子能谱能提供哪些固体表面信息呢？
1） 表面存在哪些元素？
2） 这些元素处于什么化学状态？
3） 每种元素的各个价态？
4） 半定量分析：各个元素间的质量比及原子比？
5） 若材料在表面上有镀膜：（a）薄膜每层化学组分？（b）镀层是否均匀？（c）膜层半定量？（d）膜层元素价态？（e）镀层厚度？
综上，我们测试中心的XPS可以做XPS、UPS的测试，送样者要对于每种能谱技术有个初步的了解，根据自己的目的选择相应的测试，避免花费大量时间、耗费大量精力做一些无相关测试。我们将用另外的篇幅介绍送样者需要做的前期工作和XPS的基本原理，请大家关注。
公共技术服务中心 苗利静