XPS（X射线光电子能谱仪）｜说说“单色化”与“分辨率”（三）

提到X射线，日常中它与我们较为疏远，同时又关系密切：疏远在它属于高能辐射，日常中较难接触到；密切在它如此重要，通过X射线可以得到很多我们需要的信息，比如胸透测试、安检设备都要用到X射线。

目前X射线光电子能谱仪常用的是单色化的X射线，如图1是岛津新型的AXIS Supra⁺型光电子能谱仪。那么什么是单色化的X射线呢？它与最终的测试结果又有什么关系呢？感兴趣的您不如随小编来了解一下…

图1 岛津AXIS Supra⁺型光电子能谱仪

色彩是我们感受世界的重要元素，“赤橙黄绿青蓝紫”渲染了美妙的世界。随着科学的发展，我们了解到色彩本质上来源于光的反射，而不同的色彩代表不同波长的光。光的本质是一种电磁波，随波长从小到大，电磁波会以不同形式显现，从γ射线、X射线到可见光，再到无线电波；其中可见光只占一个很小的范围，波长大约在780～400nm之间。

图2 电磁波谱

从可见光来理解X射线，“单色化X射线”的含义可能更加明确了。单色的X射线即特定波长的X射线。X射线的波长范围在0.01~10埃，通常将0.01~1埃波长的X射线称为硬X射线，将1~10埃波长的X射线称为软X射线。岛津XPS使用的单色化Al Kα X射线，波长大约为8埃，属于软X射线。

X射线通常是高能粒子轰击阳极靶产生的。高能粒子与阳极靶相互作用时会产生X射线特征谱和连续谱，如下图所示。通常XPS使用的是Al阳极靶，通过电子束轰击靶材产生X射线。

图3 轰击阳极靶材产生的X射线

但直接轰击Al靶产生的是非单色化的X射线，即波长不唯一。为了获得单色化的X射线，还需要经过一个X射线衍射的过程。X射线衍射过程遵从布拉格定律，如下图所示，当一束X射线照射到平行晶面上时，如果光程差2d sinθ为波长的整数倍，那么X射线发生相长干涉，如果不为整数倍则出现相消干涉。由此通过晶体衍射，即可从连续波长的X射线中筛选出所需要波长的X射线。

图4 布拉格衍射

岛津XPS单色器选用石英晶体作为衍射材料，整个X射线源位于仪器的后方，Al靶、单色晶体、样品台布置在罗兰圆的三点上。整个过程可以这样描述，电子枪产生电子束，打到Al靶上激发非单色化X射线，非单色化的X射线经过单色晶体衍射，产生单色化的X射线，最终单色化X射线打到样品上，激发出光电子信号被仪器所接收。X射线源及原理示意图如下图所示，可以看出单色化X射线的产生过程是复杂的，所以单色化X射线源部件的体积也较大。

图5 岛津X射线源及原理示意图

XPS仪器的发展使得单色化X射线源逐渐代替非单色化X射线源，原因在于分辨率的提高。如下图所示，是在清洁的Si表面测到的Si 2p谱，可以看出，单色化后的峰宽要明显窄于未单色化的峰宽。峰宽越窄，仪器的分辨率自然也就越高。单色化后，Al KαX射线的线宽可从0.9eV减小到约0.25eV，同时也可滤掉韧致辐射成分，提高了仪器的信噪比。

图6 (a)未经单色化的Si2p谱；(b)单色化后的Si2p谱。^[1]

岛津新型光电子能谱仪AXIS Supra⁺拥有高性能的单色器配置，罗兰圆直径达500mm，通常采用Ag 3d5/2的半峰宽来评判XPS仪器的分辨率，单色化X射线源可使得Ag 3d5/2的分辨率（半峰宽）由1eV左右提升至0.4~0.5eV。X射线源功率最高可达600W，可以最大限度提升谱图灵敏度。此外AXIS Supra⁺还可集成UPS、AES、催化反应池等(准)原位表面分析技术，进一步拓展研究能力，希望其成为各位专家学者得力的科研伙伴！

参考文献：

[1] 王建祺. 电子能谱学(XPS/XAES/UPS)引论[M]. 国防工业出版社, 1992.

撰稿人：王文昌