X射线光电子能谱仪探测效率的研究

　　1　引　　言

　　X射线光电子能谱(简称XPS)就是用X射线照射样品表面,使其原子或分子的电子受激而发射出来,测量这些光电子的能量分布,从而获得所需的信 息,如元素组成、分子结构、原子价态等。XPS是一种对物质表面进行定性定量分析和结构鉴定的实用性很强的表面分析方法。由于它是一种非破坏性分析技术, 因此,在表面分析技术中占有独特的地位。本文就XPS定量分析中谱仪的探测效率进行了理论研究与实际测量,并得到了国产的NP-1A型XPS谱仪的探测效 率曲线。

　　2　理论分析

　　X射线光电子能谱定量分析的依据是测量光电子谱线的强度,由记录到的谱线强度可以反映原子的含量或相对浓度。例如样品中原子1和原子2的相对浓度(η1/η2)可表示为[1]:

　　其中,I1/I2为谱仪测得的原子1和原子2的相对谱峰强度,在XPS谱图上就是谱峰的面积比;S1/S2为相对原子灵敏度因子。对一台XPS 谱仪,用这种原子灵敏度因子法做定量分析必须已知各元素相对氟的原子灵敏度因子S(常取氟F1S为基准),即需要对所有元素的原子灵敏度因子进行定标。

　　描述原子灵敏度因子的基本公式为[1]

　　式中,S为原子灵敏度因子,它与元素种类和电子态有关;σ为光电效应截面,可用量子力学方法计算,一般都采用Scofield用相对论性的 Hartree-Slater模型的理论计算结果;λ为光电子平均自由程,可按经验公式[2]计算;D为谱仪的探测效率,它与谱仪的结构、类型有关,可通 过实验测量。以上物理量均为光电子动能(ek)的函数。由(2)式可以看出,谱仪的探测效率D是影响原子灵敏度因子S的一个重要仪器参数。若测出谱仪的探 测效率D(ek)的函数关系曲线,则可对该谱仪所有元素的原子灵敏度因子进行定标。本文用本底高度法以及实测一些元素的原子灵敏度因子法得到了半球形分析 器的NP-1A型XPS谱仪的探测效率D-ek曲线。

　　3　实验结果与讨论

　　3.1　本底高度法测量谱仪的探测效率曲线

　　本底高度法是针对全扫描图进行的。在由光电子峰和非弹性散射组成的谱图上,任一点的本底强度都可以反映样品信息与谱仪探测效率间的关系。两台不 同谱仪测试的本底高度之比与能量的关系曲线可以连续表征整个能量区域的探测效率。用这种方法可以测定两台不同谱仪的相对探测效率。这样若已知其中一台谱仪 的探测效率,则可推算出另一台谱仪的探测效率。我们用NP-1A型XPS谱仪采集了Ag(或Cu)的全扫描谱图,并用计算机读出不同能量处的本底高度,然 后计算它们与美国PHI-550谱仪的Ag(或Cu)的全扫描谱图[3]的相应能量处的本底高度之比。已知PHI-550谱仪的探测效率D(ek)∝e- 1.1k,由此可得到NP-1A型谱仪的探测效率曲线。如图1所示。从图中看出用样品Ag和Cu得到的探测效率D-ek曲线比较接近,这说明测量和计算都 比较准确。从拟合结果看,两条曲线的函数关系也基本相同。