XPS數(shù)據(jù)處理方法技巧

尹宗杰，汪 霆，邢化朝

(1．廣州特種承壓設(shè)備檢測研究院(國家節(jié)能傳熱及隔熱產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心)，廣東 廣州 510100；2. 賽默飛世爾科技(中國)有限公司，上海 201206)

XPS數(shù)據(jù)處理方法技巧

尹宗杰*1，汪 霆2，邢化朝2

(1．廣州特種承壓設(shè)備檢測研究院(國家節(jié)能傳熱及隔熱產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心)，廣東 廣州 510100；2. 賽默飛世爾科技(中國)有限公司，上海 201206)

X射線光電子能譜儀(XPS)是表面分析中最主要的分析方 法，其中XPS數(shù)據(jù)分析和處理是廣大科研工作者的難以攻克的難題。文中以實際數(shù)據(jù)為例，重點講述通過XPS專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件Avantage進(jìn)行譜峰識別、元素及化學(xué)態(tài)譜峰重疊確認(rèn)的處理方法和技巧。

X射線光電子能譜儀(XPS)；Avantage軟件；譜峰識別；分峰擬合

目前X射線光電子能譜(XPS)技術(shù)[1]是應(yīng)用非常廣泛的的一種表面分析技術(shù)，其可以提供材料表面3～10 nm左右的元素組成及化學(xué)態(tài)信息。與其他表面分析手段俄歇電子能譜儀(AES)、二次離子質(zhì)譜儀(SIMS)等相比，XPS 的最大特點便是能獲取豐富的化學(xué)信息，并且對樣品表面的損傷最輕微，定量分析效果較好。通過XPS與離子刻蝕手段相結(jié)合，被廣泛地應(yīng)用于化學(xué)分析、材料開發(fā)應(yīng)用研究[2]、物理理論探討等學(xué)術(shù)領(lǐng)域以及在機(jī)械加工、印刷電路技術(shù)、鍍膜材料工藝控制、納米功能材料開發(fā)等[3]工業(yè)領(lǐng)域，XPS都能提供全方位的解決方案。

X射線光電子能譜技術(shù)原理基于光電效應(yīng)[4]，當(dāng)一束特定能量的X射線照射到固體樣品上時，便可將原子中的內(nèi)層電子激發(fā)出來，激發(fā)出的光電子動能被能量檢測器檢測分析。通過能量守恒方程[5]即可求得樣品中該電子對應(yīng)的結(jié)合能。由于結(jié)合能是元素的指紋信息，當(dāng)原子周圍的化學(xué)環(huán)境發(fā)生變化，元素內(nèi)層電子結(jié)合能會隨之變化。因此可根據(jù)結(jié)合能變化推測元素的化學(xué)結(jié)合狀態(tài)，即元素及化學(xué)態(tài)的定性分析。

在表面分析研究[6]中，通常我們不僅需要確定樣品的元素種類及其化學(xué)環(huán)境，還需要求出其對應(yīng)含量。然而在定量求取過程中，常常會遇到譜峰重疊的現(xiàn)象，卻尚未見文獻(xiàn)針對性地報道如何通過Avantage軟件進(jìn)行更加有效地數(shù)據(jù)分析。如何通過軟件更加方便快捷的幫助我們進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，如何發(fā)揮儀器軟件的特長挖掘更多真實的樣品信息，是值得仔細(xì)探討的。

1 Avantage軟件介紹

Avantage軟件為美國ThermoFisher Scientific公司自主研發(fā)的一款專門處理XPS數(shù)據(jù)的軟件，具有一鍵式荷電校準(zhǔn)、譜峰識別(全掃譜圖的自動識峰、高分辨窄掃譜圖的手動識峰)分峰擬合(單峰擬合、雙峰擬合及非線性最小二乘法擬合)等多種功能，本文就最常用的幾種功能使用技巧進(jìn)行講解,見圖1。

圖1 Avantage 軟件界面Fig.1 Avantage software interface

2 譜峰識別

2.1 全掃譜圖自動識峰

注：當(dāng)樣品中可能含有某種元素，軟件不能確定是否有特定元素存在時，在自動識峰過程中會以“？”的形式進(jìn)行標(biāo)注。

圖2(a)未處理的全掃譜圖；(b)自動識別的全掃譜圖

Fig.2 (a)Unprocessed full scan spectrogram; (b) Full scan spectrogram for automatic identification

2.2 高分辨窄掃譜圖手動識峰

圖3 高分辨窄掃譜圖(a)未處理的全掃譜圖；b)自動識別的窄掃譜圖

Fig.3 (a)Unprocessed full scan spectrogram; (b) Full scan spectrogram for automatic identification

此時對元素或化學(xué)態(tài)對應(yīng)元素進(jìn)行定量時，需要將其他元素的貢獻(xiàn)去掉，Avantage帶有的分峰擬合功能可以很好地解決這個問題。

3 分峰擬合

3.1 單峰譜峰重疊

由于S軌道譜峰通常為單峰結(jié)構(gòu)，因此一種化學(xué)態(tài)對應(yīng)一個單峰結(jié)構(gòu)，通過譜峰峰位的確認(rèn)、對樣品的了解、對其他元素譜圖的統(tǒng)一判定以及參考文獻(xiàn)或參考數(shù)據(jù)庫的查閱，即可獲得特定元素可能對應(yīng)的化學(xué)態(tài)信息。

圖4 高分辨窄掃譜圖(a)未處理的全掃譜圖；(b)擬合后的窄掃譜圖

Fig.4 High resolution narrow scan spectrum (a)Unprocessed full scan spectrogram; (b) Narrow spectrum after fitting

圖5 分峰擬合參數(shù)優(yōu)化界面Fig.5 The interface of peak fitting and parameter optimization

3.2 雙峰譜峰重疊

由于p、d、f軌道譜峰為雙峰結(jié)構(gòu)，因此一種化學(xué)態(tài)對應(yīng)一對峰結(jié)構(gòu)，通過譜峰峰位的確認(rèn)、對樣品的了解、對其他元素譜圖的統(tǒng)一判定以及參考文獻(xiàn)或參考數(shù)據(jù)庫的查閱，即可獲得特定元素可能對應(yīng)的化學(xué)態(tài)信息。

圖6 Cl2p高分辨窄掃譜圖(a)未處理的全掃譜圖；b)擬合后的窄掃譜圖

Fig.6 Cl2p High resolution narrow scan spectrum (a)Unprocessed full scan spectrogram; (b) Narrow spectrum after fitting

圖7 分峰擬合參數(shù)優(yōu)化界面Fig.7 The interface of peak fitting and parameter optimization

當(dāng)然在實際樣品數(shù)據(jù)分析過程中有可能存在單峰譜圖(s軌道譜圖)和雙峰譜圖(p/d/f軌道譜圖)的譜峰重疊，此時根據(jù)實際情況選擇添加單峰/雙峰的個數(shù)、確定峰位以及數(shù)據(jù)擬合參數(shù)的優(yōu)化等等。

3.3 特殊譜峰譜峰重疊

實際樣品數(shù)據(jù)分析過程中往往還會遇到俄歇譜峰和XPS譜峰產(chǎn)生譜峰重疊，或者一些p、d、f軌道上非對稱的譜峰同時存在多種化學(xué)態(tài)需要對各化學(xué)態(tài)進(jìn)行判定時，采用雙峰擬合擬合效果不能很好滿足要求，此時采用非線性最小二乘法即可得到滿意的數(shù)據(jù)分析結(jié)果。

圖8 特殊譜峰重疊譜圖(a)XPS譜峰與俄歇譜峰的譜峰重疊；(b)非對稱譜峰化學(xué)態(tài)的譜峰重疊Fig.8 Overlapping spectrum of special peaks (a) Overlap of spectral peaks and spectral peaks

4 結(jié)論

文中主要介紹了利用XPS數(shù)據(jù)處理軟件Avantage幫助我們進(jìn)行全掃譜圖的自動識峰，以判定樣品中大致含有哪些元素；高分辨窄掃譜圖的手動識峰，以判定是否存在元素間的譜峰重疊；分峰擬合(包括單峰擬合、雙峰擬合以及NLLSF擬合)，以將元素間及其化學(xué)態(tài)間的譜峰重疊進(jìn)行分開，從而得到更加準(zhǔn)確地定量結(jié)果信息。

[1] John F Watts.表面分析(XPS和AES)引論[J] . 吳正龍,譯.上海：華東理工大學(xué)出版社,2007.

[2] 呂反修. 化學(xué)氣相沉積金剛石膜的研究與應(yīng)用進(jìn)展[J]. 材料熱處理學(xué)報,2010(1):15-28.

[3] Bertóti I ， Mohai M， László K.Surface modification of grapheme and graphite by nitrogen plasma: Determination of chemicalstate alterations and assignments by quantitative quantitative X-ray photoelectron spectroscopy[J].Carbon,2015, 84: 185-196.

[4] 曹也文.功能化石墨烯的制備及在高性能高分子材料中的應(yīng)用[D].上海：復(fù)旦大學(xué),2012.

[5] 余錦濤,郭占成,馮婷.X射線光電子能譜在材料表面研究中的應(yīng)用[J].表面技術(shù),2014(1):119-124.

[6] 盧炯平. X射線光電子能譜在材料研究中的應(yīng)用[J]. 分析測試技術(shù)與儀器,1995(1):1-12.

(本文文獻(xiàn)格式：尹宗杰，汪 霆，邢化朝.XPS數(shù)據(jù)處理方法技巧[J].山東化工，2017，46(12)：89-91,93.)

Technique of Data Processing Method during XPS Analysis

YinZongjie*1,WangTing2,XingHuachao2

(1. Guangzhou Testing Institute of Special Pressure Equipment, Guangzhou 510100, China;2.Thermo Fisher Scientific (China) Co.，Ltd., Shanghai 201206, China)

X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) is the most important method in surface analysis. And XPS data analysis and processing is difficult for many scientific researchers to overcome. Based on the actual data for example in this paper that focuses on XPS professional data processing software Avantage. The paper introduce data processing method and technique of software Avantage that can identifiy peaks, elements and chemical states.

X-ray photoelectron spectroscopy (XPS); Avantage softeware;peak identification;peak fitting

2017-06-07

尹宗杰(1983—)，山東濰坊人，主任工程師，主要從事節(jié)能水處理、熱管理材料、石墨烯材料科學(xué)研究。

O657.62

A

1008-021X(2017)12-0089-03