X射线光电子能谱学

X射线光电子能谱学（XPS）是一种基于光电效应的表面敏感定量光谱技术，可以识别材料中存在的元素（元素组成）或覆盖其表面的元素，以及它们的化学状态，并且 材料中电子态的整体电子结构和密度。 XPS 是一种强大的测量技术，因为它不仅可以显示存在的元素，还可以显示它们与哪些其他元素结合。 该技术可用于对整个表面的元素成分进行线性分析，或与离子束蚀刻配合使用时进行深度分析。 它通常用于研究材料在原始状态下或在裂解、刮擦、暴露于热、反应性气体或溶液、紫外线或离子注入期间的化学过程。

XPS 属于光电子能谱学家族，其中通过用 X 射线束照射材料获得电子布居谱。 化学状态是从动能和射出电子数的测量中推断出来的。 XPS 需要高真空（残余气体压力 p ~ 10−6 Pa）或超高真空（p < 10−7 Pa）条件，尽管当前的开发领域是环境压力 XPS，其中样品在压力下进行分析 几十毫巴。

当使用实验室 X 射线源时，XPS 可以轻松检测除氢和氦以外的所有元素。 检测限在千分之几的范围内，但百万分之一 (ppm) 可以通过较长的收集时间和顶部表面的浓度来实现。

XPS 通常用于分析无机化合物、金属合金、半导体、聚合物、元素、催化剂、玻璃、陶瓷、油漆、纸张、油墨、木材、植物部位、化妆品、牙齿、骨骼、医疗植入物、生物材料、 涂料、粘性油、胶水、离子改性材料等。 XPS 不太常规地用于分析水凝胶和生物样品等水合形式的材料，方法是将它们在超纯环境中以水合状态冷冻，并在分析前让多层冰升华。

因为具有特定波长的 X 射线的能量是已知的（对于 Al Kα X 射线，Ephoton = 1486.7 eV），并且因为测量了发射电子的动能，所以每个发射电子的电子结合能可以 通过使用光电效应方程来确定

其中 Ebinding 是相对于化学势测得的电子结合能 (BE)，Ephoton 是所使用的 X 射线光子的能量，Ekinetic 是仪器测得的电子动能，ϕ {\ displaystyle \phi } 是一个类似于功函数的术语，用于表示材料的特定表面，在实际测量中，由于接触电势，它包括仪器功函数的小修正。 这个方程本质上是一个能量守恒方程。 类似于功函数的项 ϕ {\displaystyle \phi } 可以被认为是一个可调节的仪器校正因子，它解释了光电子从主体发射并被主体吸收时放弃的几个 eV 动能 探测器。 它是一个常数，在实践中很少需要调整。

1887 年，海因里希·鲁道夫·赫兹 (Heinrich Rudolf Hertz) 发现但无法解释光电效应，后来在 1905 年被阿尔伯特·爱因斯坦 (Albert Einstein) 解释（1921 年诺贝尔物理学奖）。 爱因斯坦发表两年后，即 1907 年，P.D. Innes 使用伦琴管、亥姆霍兹线圈、磁场半球（电子动能分析仪）和感光板进行实验，以记录作为速度函数的发射电子的宽带，实际上记录了xxx个 XPS 光谱。

其他研究人员，包括 Henry Moseley、Rawlinson 和 Robinson，独立进行了各种实验来整理宽带中的细节。 Kai Siegbahn 和他在乌普萨拉（瑞典）的研究小组对设备进行了多项重大改进，并于 1954 年记录了xxx张裂解氯化钠 (NaCl) 的高能量分辨率 XPS 光谱，揭示了 XPS 的潜力。 几年后的 1967 年，Siegbahn 发表了对 XPS 的综合研究，使人们立即认识到 XPS 的实用性以及xxx个硬 X 射线光电子能实验，他将其称为化学分析电子能谱 (ESCA)。