现代X光电子能谱仪简介

现代X光电子能谱仪简介
摘 要：介绍了现代x光电子能谱仪的激发源、能量分析器、传输透镜、电子检测器、荷电中和器等主要 部件的结构特点。在此基础上介绍了仪器的主要性能指标灵敏度、能量分辨率等。简单介绍了考察电子能 谱仪的方法。最后讨论了电子能谱仪的发展。 关键词：X光电子能谱单色化X射线灵敏度能量分辨率 x光电子能谱分析技术已成为表面分析中的常规分 析技术，在催化化学、新材料研制、微电子、陶瓷材料 等方面得到了广泛的应用。在我国电子能谱也已经得到 了广泛的应用。 自从上世纪五十年代至今， 电子能谱仪已经发展了 半个多世纪，其功能得到了完善和扩充，性能得到了很 大的提高，仪器的维护使用和自动化程度也得到了很大 的提高[卜 。对于一些电子能谱仪的基本结构单元、性 能等在普通的电子能谱书籍中可以查阅到[ ]，此处不 再赘述，本文将着重介绍现代x光电子能谱仪结构和特 点。

一 、现代X光电子能谱仪结构 一般电子能谱仪包括有：激发源， 电子能量分析 器， 校正器| 转换器| 传送器| 变送器| 传感器| 记录仪| 有纸记录仪| 无纸记录仪| 电子倍增器，微电子线路控制，计算机软件数据系 统，真空系统，分析室，样品制备室以及样品制备装置 等等，现代电子能谱仪在此基础上作了很大的改进[7]。
1．单色化x射线源 目前主要使用的是A1K a射线单色源，它由A1靶x 射线源和石英晶体组成。A1靶激发的x射线(1486．6eV) 经过石英晶体发生布拉格衍射使A1的x射线单色化。为 了增加照射样品的x光强度，提高灵敏度和实现小束斑 XPS分析， 不同的仪器厂家采用不同的方法。第一种方 法是微聚焦单色化， 聚焦电子束轰击在阳极靶某位置 处，产生的x光经过凹面石英晶体布拉格反射后聚焦照 射到样品上， 凹面石英晶体的反射使得x射线聚焦成一 个束斑，提高了x光照射到样品上的功率密度。在此方 法中阳极靶、石英晶体和样品位于同一罗兰圆上。另一 种方法采用光阑遮挡x光束或采样区域(即限定x光源方 法或限定光电子发射面积方法)， 同时为了增加灵敏 度，必须提高x光枪的功率。 仪器用户还可以根据需要选配经济实用的常规双阳 极靶(Mg／A1)，对于一些简单的XPS分析，双阳极很方 便实用，如在XPS分析中常出现光电子峰和俄歇峰互相 干扰时，利用双阳极能有效地进行分析。用户还可根据 需要选用其它x射线源，如AgL Q(2984．3eV)，riK Q (451OeV)，CrK B(5946，7eV)。 一般双阳极的x光枪正常使用功率为2OOW。单阳极 x光枪的功率可达到45OW， 而聚焦x射线单色源只需几 十瓦。
2．电子能量分析器 对于XPS仪器目前一般采用静电半球型(HSA)能 量分析器。只有一些俄歇能谱仪为了提高灵敏度仍采用 筒镜型(CMA)能量分析器。还有一些仪器采用球镜能 量分析器(SMA)。在一些低档的电子能谱仪中采用高 通／低通滤波器(Hi／Low fi1ter)。HSAB~量分析器 具有较好的能量分辨率，与传输透镜组合可实现固定分 析器能量(CAE或FAT，常用于XPS分析中) 和固定减 速比(CRR或FRR，常用于AES分析中)两工作模式。现 在大部分电子能谱仪一般采用HSA分析器。使用HSA分 析器还有一个好处，在成像XPS (iXPS)中，HSA为电 子光学成像中一个透镜。
3．传输透镜 安装半球型能量分析器的现代电子能谱仪一般采用 传输透镜。传输透镜的作用将样品成像到能量分析器的 入口处，增加收集角，提高灵敏度，另外可使庞大的能 量分析器远离仪器分析室，腾出更大的空间，安装其它 配件，有利于扩展仪器功能。现代能谱仪中有多组透镜 组合而成，根据测量分析要求可选择不同的工作模式。
4．电子检测器 电子监测器也是电子能谱仪的一个主要部件。传统 电子能谱仪采用通道式电子倍增器(Channeltron)。为 了提高检测灵敏度，现代电子能谱仪一般采用多通道电 子探测器(Multi-Channeltron)，甚至采用多通道板 探测器(multi—channel Plate detector)[ 和位敏 探测器(poSition SenSor detector)[41。采用多通 道板探测器和位敏探测器时，还可以以快照方式(Snap S h O t)收集X P S谱，也可以实现快速平行X P S成像 (i XPS)。新型电子探测器的采用不仅大大有助于提高 仪器的灵敏度，而且大大提高了采集数据的速度。
5．电子中和器 在XPS实验中常常遇到样品荷电问题，影响测量。 为了解决这一问题，传统电子能谱仪通常采用“漫灌 式” (flood)的低能(~500eV)电子中和或减弱样 品上的剩余正电荷。这种方法虽然很简单，但是在中和 样品时易出现荷电不均匀。为了克服这一问题，现代电 子能谱仪采用更低能量的单色电子中和，同时为了在单 色化小束斑xPS (SAXPS)中能有效地中和，需采用同 轴低能电子中和『3’ 。
6．真空系统 现代仪器的真空泵主要采用分子泵和离子泵，与传 统的扩散泵相比，减少了油污染，真空室更加干净。同 时真空系统操作维护的自动化程度比以前也有所提高。
7．数据系统 随着计算机的普及和发展，与现代电子能谱的数据 系统也有了发展。仪器的操作、维护和数据处理均可通 过计算机完成，甚至实现全自动化分析测试。数据系统 已经成为现代电子能谱仪的一个必不可少的组成部分。
8．XL磁透镜 为了提高电子能谱仪的灵敏度和有效地实现小面积 XPS分析，在现代电子能谱仪中安装xL磁透镜。它被安 装在样品台下方，分析时样品被浸没在电磁场中，可大 大增加发射光电子的接收立体角，提高收集效率 ， 。 另外现代x光电子能谱仪在离子枪、微电子控制系 统、样品制备等部件也有较大的发展。 这些先进部件的采用不仅提高完善了电子能谱仪 的性能，也扩充了电子能谱仪的功能 ，如成像XP S (iXPS)，角分辨XPS(ARXPS)，小束斑XPS(SXPS)等， 进而拓宽了XPS这项表面分析技术的应用。

二、现代电子能谱仪评价 评价一台电子能谱仪的主要指标是灵敏度和能量分 辨率。科学家们正在努力提高这两个主要指标。 JO 仪器的灵敏度与多种因素有关， 即：样品，激发 源，激发面积，能量分析器，入口或出口狭缝， 电子探 测器，放大器等因素有关。为了考察仪器的灵敏度，一 般采用Ag3d5／2峰的计数率表示仪器的整体灵敏度。 能量分辨与样品中被激发的能级的线宽有关，与样 品基体有关， 与仪器的展宽有关， 与x射线的线宽有 关。最终谱的宽度应为多种因素卷积的综合结果。 一台电子能谱仪的灵敏度和能量分辨率是相互牵制 的， 即当提高仪器灵敏度要牺牲仪器的分辨率。 现代电子能谱仪，对于双阳极的Ag3ds／z的最高计数 率， 大于7Mcps@1eV。对于AlK Q单色器最高Ag3ds／2的 最高计数率为1McpS@0．6eV。单色化XPS的最佳能量分 辨率可达N0．5eV，高于传统的双阳极XPS。 为了考察仪器分荷电中和系统，通常测定PET材料 的羰基(0-C=O)峰的强度和半高宽(FWHM)， 目前 半高宽可达N0．8eV@60kcpS。 考察一台电子能谱仪的质量是一项很复杂的工作， 除上面提到的几个指标外，还需要考察仪器的功能、仪 器的操作使用、仪器的维护(如真空维护)、数据系 统、制样、功能扩展性、荷电中和、离子刻蚀、稳定 性、可靠性、精度等等。

三、展望 有报道在A E S中已经采用双曲抛物场分析器 (hyperbol iC field analYSer，或HFA)实现平面 聚焦，采用多道探测或位敏探测器，以进一步增加灵敏 度和数据采集速度。另外，可采用转靶x射线源激发样 品，提高x光强度，也可进一步增加计数率，但是这样 做，对样品的损伤大，且转靶造价高。为了提高能量分 辨率科学家们正在尝识采用飞行时间能量分析器。