X射線光電子能譜(XPS)也稱為化學(xué)分析用電子能譜(ESCA),該方法是在20世紀(jì)60年代由瑞典科學(xué)家Kai Siegbahn教授發(fā)展起來(lái)的。由于在光電子能譜的理論和技術(shù)上的重大貢獻(xiàn),1981年,Kai Siegbahn教授獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

現(xiàn)在,X射線光電子能譜無(wú)論在理論上河實(shí)驗(yàn)技術(shù)上都已獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展。XPS已從剛開(kāi)始主要用來(lái)對(duì)化學(xué)元素的定性分析發(fā)展為表面元素定性、半定量分析及元素化學(xué)價(jià)態(tài)分析的重要手段。XPS的研究領(lǐng)域也不再局限于傳統(tǒng)的化學(xué)分析,而擴(kuò)展到現(xiàn)代迅猛發(fā)展的材料科學(xué)。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射線光電子能譜基于光電離作用,當(dāng)一束光子輻照到樣品表面時(shí),光子可以被樣品中某一元素的原子軌道上的電子所吸收,使得該電子脫離原子核的束縛,以一定的動(dòng)能從原子內(nèi)部發(fā)射出來(lái),變成自由的光電子,而原子本身則變成一個(gè)激發(fā)態(tài)的離子。

在普通的X射線光電子能譜儀中,一般采用的MgK和AlK X射線作為激發(fā)源,光子的能量足夠促使除氫、氦以外的所有元素發(fā)生光電離作用。由此可見(jiàn),XPS技術(shù)是一種可以對(duì)所有元素進(jìn)行一次全分析的方法,這對(duì)于未知物的定性分析是非常有效的。經(jīng)X射線輻照后,從樣品表面射出的光電子的強(qiáng)度是與樣品中該原子的濃度有線性關(guān)系,可以利用它進(jìn)行元素的半定量分析。鑒于光電子的強(qiáng)度不僅與原子的濃度有關(guān),還與光電子的平均自由程、樣品的表面粗糙度、元素所處的化學(xué)狀態(tài)、X射線源強(qiáng)度以及儀器的狀態(tài)有關(guān),因此,XPS技術(shù)一般不能給出所分析元素的絕對(duì)含量,僅能提供各元素的相對(duì)含量。由于元素的靈敏度因子不僅與元素種類有關(guān),還與元素在物質(zhì)中的存在狀態(tài)、儀器的狀態(tài)有一定關(guān)系,因此不經(jīng)校準(zhǔn)測(cè)得的相對(duì)含量也會(huì)存在很大的誤差。還需指出的是,XPS是一種表面靈敏的分析方法,具有很高的表面檢測(cè)靈敏度,可以達(dá)到10-3原子單層,但對(duì)于體相檢測(cè)靈敏度僅為0.1%左右。XPS表面采樣深度為2.0～5.0 nm,他提供的僅是表面上的元素含量,與體相成分會(huì)有很大差別,而其采樣深度與材料性質(zhì)、光電子的能量有關(guān),也同樣品表面和分析器的角度有關(guān)。

X射線光電子能譜儀主要由5部分組成:激發(fā)源、樣品、電子能量分析器、檢測(cè)系統(tǒng)(含電子倍增器)和超高真空(UHV)系統(tǒng)。激發(fā)源輻照樣品,使之發(fā)射出不同能量分布的電子,然后經(jīng)電子能量分析器分析,由檢測(cè)系統(tǒng)給出測(cè)試結(jié)果,整個(gè)系統(tǒng)需要一個(gè)超高真空系統(tǒng)。