XPS三部曲
（二）与我们密切相关的信息
宁波材料所测试中心的XPS自2007年购置以来，所内测试量一直呈上升趋势，说明XPS已发展成为表面分析技术中不可缺少的基础测试。
测试期间我们也做过随机问询——问学生为什么来做此测试，回答是多样的：答复之一：文章中有XPS测试所得的较复杂的元素具体分析和看起来很漂亮的谱图可以发高档次文章；答复之二：师兄师姐在该课题中用到了这个仪器，所以我觉着是需要用到的，就像做其他表征测试一样是必须的；答复之三：我想知道样品的某些信息，经过咨询和查阅资料知道这台仪器可以帮到我……很显然，我们都会喜欢第三种带着问题来的测试者，这种一般能通过自己的努力对XPS有些许的了解，我们为他解释问题也容易解释清楚。其实前两种现象也是比较实诚地回答，但是没有自己做进一步调查，所以问到测试目的时会支支吾吾自己都弄不清楚到底为什么测试。
相对于所内样品，所外企业倒是目的比较明确，因为他们在研发或生产中遇到的问题需要自己找合适的方法解决，无论是通过何种方式，他们会明确知道应该选择何种测试。就算不知道如何选择，也是带着问题来咨询哪些仪器可以解决。
详细了解自己的样品，知晓样品需要解决的问题，选择正确的测试方法，不仅会事半功倍，且可以减少不必要的支出。
我们需要做哪些工作？要想清楚知道XPS能否帮我们解决问题，我们不仅要知道光电子能谱与固体表面信息的基础知识，而且更要理解XPS能做什么？什么样品可以做？
首先介绍一下XPS的功能。上一篇中有说到我们常做的测试是XPS和UPS，这篇主要介绍XPS的应用。
1、定性分析：对于所研究样品的表面化学分析的第一步，是识别样品表面所含元素种类。为此，通常我们先要采集全谱（或称“宽谱”）。全谱可以提供周期表中除H、He以外所有元素（但放射性元素请不要带进X-射线实验室！）的谱峰。通过谱峰（峰形和峰位）我们可以辨别元素，判断未知样品元素种类。且通过全谱我们可以得到初步的半定量信息，但由于全谱步长过大，信息准确度不如分谱。
2、定量分析：采集完XPS全谱后，通常围绕所感兴趣的元素继续采集所需要的特定元素的谱图，称分谱（或细扫谱），又高分辨谱。我们得到的是每个元素的峰强，想要得到半定量数据，必须将峰强（峰面积）转换为原子浓度或质量比例。在测试的电脑中有相应软件，能够通过扣背底和相对的灵敏度影响因子转换为半定量的数据，这些培训过的学生应该有所了解。数据转换在测试中占一部分，考虑到此仪器的开放性比较困难，但开放半定量数据导出这一部分不会对仪器造成大的影响，所以我们花费了很大心思在这方面。也希望学生以后给予配合，认真学习，并且助人为乐帮助师弟师妹学习。由于我们对每个人的每个样品不可能有boss那么了解，所以XPS的数据后期处理、分析一般是由boss来评判。
3、化学态分析：包括有机物中元素键的分析和金属元素的价态分析。处于不同化学环境的原子、离子或分子，在X射线照射下相应的光电子能谱的能量有小的差别。例如，在多数金属中，在一、二、三价离子相对于纯元素之间出现正位移。但也有例外，对于铈来说，Ce与CeO2之间出现一个大约-2ev的化学位移。那么判别峰位，需要用相应的软件对所测的分谱进行分峰处理，结合自己样品的理论及其他实验结果，进行相互论证。那么这一部分需要阅读、参考大量与自己样品相关的文献，也是比较困难的一步。
4、角分辨电子能谱：角分辨XPS（Angle Resolved XPS, ARXPS）,通过简单地倾斜样品，使得样品法线与电子能量分析器光轴之间的夹角10‑15度的增加，可得到非常接近于表面的组分变化。所得到的信息为检测近表面各元素相关含量提供了有效指导，但通常要求提供独立层的厚度。聚合物不适合离子束溅射组分深度剖析，因此，ARXPS是少数探测近表面组分梯度的方法之一。此方法为非破坏性检测方法。
5、惰性气体离子刻蚀深度剖析：非破坏性方法检测的是样品表面1-10nm内组分变化（但根据样品不同，最大深度可能小于10nm），但为了获得比10nm更深的信息，必须对样品表面进行剥离，一般我们使用的是氩离子轰击。刻蚀可以清洁表面，除去样品表面污染物，也可以进行深度剖析，对样品深度组分变化辨别，及多层镀膜样品界面分析和膜层厚度分析。但溅射过程本身并不是一个简单的过程，可能会出现某一特定类型的离子或原子的择优溅射；可能会出现离子的诱导反应，例如：二价铜（Cu2+）被低能低剂量离子照射后被还原成一价铜（Cu+）。而对于深度剖析，随着材料被剥离，刻蚀坑底的粗糙度增加，最终界面会模糊。如果要得到一个高质量的深度剖析结果，高真空是必须的，所以对样品的要求较高，不能镀层出现气孔，否则会对仪器产生很大的危害。深度剖析一般先分析原始表面，然后关闭X-射线源，经过一段时间的离子刻蚀，离子能量一般为几百电子伏到几千电子伏，关闭离子枪，再开射线源对样品进行分析，周而复始，直到所需要的深度或出现需要的元素。粉末样品和聚合物不能利用氩离子枪进行表面清洁和深度剖析（目前，有出现离子簇的配置可进行聚合物刻蚀，我们实验室没有配置）。
6、元素的二维成像：现代的XPS一般都具有成像功能，即将表面发射出来的某一特征能量（代表某一元素的化学状态）的光电子通过某种测试方式形成一幅图像，显示该元素以特定的化学状态存在于表面时的二维存布。将电子成像技术结合到XPS分析中，可以帮助科研人员从普通的定性分析（存在何种元素及其化学状态）和定量分析（处于某种化学状态的元素含量）深入到元素成分（化学状态）的二维分布。也可以帮助科研人员快速找到感兴趣的分析区域。但由于我们仪器分辨率没有理论那么高，所以较不常用。
以上已经罗列清楚本仪器的功能，希望对于大家了解本仪器有帮助。如果测试样品，了解这些后我们还要清楚什么样品不可以测试。多次提到，本仪器是超高真空设备，可以达到10-10torr的级别，所以对样品的要求比较高。
XPS通常情况下只能对固体样品进行分析。固体样品一般分为块体和粉末。
1、块体：样品两面需要各有平面，因为粘贴样品时非平面很难黏上，而测试面没有平面，能量分析器收集不是同一层次的电子信号。其次，块体（包括薄膜样品）的尺寸必须符合一定的大小，长宽0.5*0.5cm--1*1cm，高度理论小于4mm，安全起见，我们规定3mm。因为样品传输必须通过传递杆，穿过超高真空隔离阀，且样品过高stage在移动时会有碰到靶的危险。但大家在处理样品时必须考虑可能对表面成分和状态的影响。
2、粉末：相对块体样品，粉末样品制样稍微复杂一点儿。一般情况下，我们用双面胶带直接把粉末固定在铜片上，铜片再一次粘贴到样品台上，这样避免了样品间的交叉污染。此方法样品用量少，但缺点是制样不均匀、不规范会引进胶带的成分。
那么，我们带样品来实验室前需要注意什么？
1、含有挥发性的物质：含有挥发性物质的样品，会对抽真空有很大影响，所以在样品进入真空系统前必须清除掉挥发性物质。一般可以通过对样品加热或用溶剂清洗。
2、未完全烘干的样品或极易吸潮的样品：未烘干的样品继续用烘箱烘干或用冷冻干燥机冷冻干燥完全；对于极易吸潮的样品务必完全烘干，且制样速度要快，制备好的样品先真空封存。
3、表面污染的样品：对于表面有油等有机物污染的样品，必须用油溶性溶剂如环己烷、丙酮等清洗掉油污，最后用乙醇清洗掉有机溶剂，为了保护样品表面不被氧化，一般采用自然风干。
4、带磁性的样品：分析室配有磁透镜，带有磁性的样品会污染透镜。当样品的磁性很强时，还有可能使分析器头及样品架有磁化的危险。此外，我们在样品上加了中和荷电的中荷枪电子，电子带负电荷，在微弱放入磁场作用下，也可以发生偏转。当样品有磁性时，由样品表面发出的光电子会在磁场的作用下偏离接收角，不能达到分析器，得不到正确的XPS谱图。因此，绝对禁止带有磁性的样品进入分析室。
送样时告诉我们越多的信息，对测试的样品越是有利。了解了以上知识，明确了测试目的，详尽的实验沟通，才能达到尽如人意的实验结果。我们也希望大家的心血能够看到美好的结果。
公共技术服务中心 苗利静