X射線光電子能譜學

X射線光電子能譜學（XPS）是一種基于光電效應的表面敏感定量光譜技術，可以識別材料中存在的元素（元素組成）或覆蓋其表面的元素，以及它們的化學狀態，并且 材料中電子態的整體電子結構和密度。 XPS 是一種強大的測量技術，因為它不僅可以顯示存在的元素，還可以顯示它們與哪些其他元素結合。 該技術可用于對整個表面的元素成分進行線性分析，或與離子束蝕刻配合使用時進行深度分析。 它通常用于研究材料在原始狀態下或在裂解、刮擦、暴露于熱、反應性氣體或溶液、紫外線或離子注入期間的化學過程。

XPS 屬于光電子能譜學家族，其中通過用 X 射線束照射材料獲得電子布居譜。 化學狀態是從動能和射出電子數的測量中推斷出來的。 XPS 需要高真空（殘余氣體壓力 p ~ 10?6 Pa）或超高真空（p < 10?7 Pa）條件，盡管當前的開發領域是環境壓力 XPS，其中樣品在壓力下進行分析 幾十毫巴。

當使用實驗室 X 射線源時，XPS 可以輕松檢測除氫和氦以外的所有元素。 檢測限在千分之幾的范圍內，但百萬分之一 (ppm) 可以通過較長的收集時間和頂部表面的濃度來實現。

XPS 通常用于分析無機化合物、金屬合金、半導體、聚合物、元素、催化劑、玻璃、陶瓷、油漆、紙張、油墨、木材、植物部位、化妝品、牙齒、骨骼、醫療植入物、生物材料、 涂料、粘性油、膠水、離子改性材料等。 XPS 不太常規地用于分析水凝膠和生物樣品等水合形式的材料，方法是將它們在超純環境中以水合狀態冷凍，并在分析前讓多層冰升華。

因為具有特定波長的 X 射線的能量是已知的（對于 Al Kα X 射線，Ephoton = 1486.7 eV），并且因為測量了發射電子的動能，所以每個發射電子的電子結合能可以 通過使用光電效應方程來確定

其中 Ebinding 是相對于化學勢測得的電子結合能 (BE)，Ephoton 是所使用的 X 射線光子的能量，Ekinetic 是儀器測得的電子動能，? {\ displaystyle \phi } 是一個類似于功函數的術語，用于表示材料的特定表面，在實際測量中，由于接觸電勢，它包括儀器功函數的小修正。 這個方程本質上是一個能量守恒方程。 類似于功函數的項 ? {\displaystyle \phi } 可以被認為是一個可調節的儀器校正因子，它解釋了光電子從主體發射并被主體吸收時放棄的幾個 eV 動能 探測器。 它是一個常數，在實踐中很少需要調整。

1887 年，海因里希·魯道夫·赫茲 (Heinrich Rudolf Hertz) 發現但無法解釋光電效應，后來在 1905 年被阿爾伯特·愛因斯坦 (Albert Einstein) 解釋（1921 年諾貝爾物理學獎）。 愛因斯坦發表兩年后，即 1907 年，P.D. Innes 使用倫琴管、亥姆霍茲線圈、磁場半球（電子動能分析儀）和感光板進行實驗，以記錄作為速度函數的發射電子的寬帶，實際上記錄了xxx個 XPS 光譜。

其他研究人員，包括 Henry Moseley、Rawlinson 和 Robinson，獨立進行了各種實驗來整理寬帶中的細節。 Kai Siegbahn 和他在烏普薩拉（瑞典）的研究小組對設備進行了多項重大改進，并于 1954 年記錄了xxx張裂解氯化鈉 (NaCl) 的高能量分辨率 XPS 光譜，揭示了 XPS 的潛力。 幾年后的 1967 年，Siegbahn 發表了對 XPS 的綜合研究，使人們立即認識到 XPS 的實用性以及xxx個硬 X 射線光電子能實驗，他將其稱為化學分析電子能譜 (ESCA)。