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X射線光電子能譜儀（XPS）

X射線光電子能譜是分析物質表面化學性質的一項技術。XPS可測量材料中元素組成、經驗公式、元素化學態和電子態。用一束X射線激發固體表面，同時測量被分析材料表面1－10nm內發射出電子的動能，而得到XPS譜。光電子譜記錄超過一定動能的電子。光電子譜中出現的譜峰為原子中一定特征能量電子的發射。光電子譜峰的能量和強度可用于定性和定量分析所有表面元素（氫元素除外）。

隨著對高性能材料需求的不斷增長，表面工程隨之顯得越來越重要。只有了解材料層表面處和界面處的物理和化學相互作用，才能解決許多與現代材料相關的問題。 表面化學特性將影響材料的諸多方面，如腐蝕速率、催化活性、粘合性、表面潤濕性、接觸勢壘和失效機理。

材料的表面是材料與外部環境及與其它材料相互作用的位置。所以，在許多應用領域中，用表面修飾改變或改進材料性能和特性。材料經處理（如斷裂、切割或刮削）后，XPS可用于分析其化學特性。從不粘鍋涂層到薄膜電子學和生物活性表面，XPS成為表面材料表征的標準工具。

表面表征
表面層定義為大于3個原子層厚度（~1 nm），根據不同材料，表面層厚度不同。認為不超過約10納米表面層為超薄層薄膜，不超過1μm為薄膜。但是名詞術語并沒有明確定義，隨不同材料和應用，表面層、超薄膜和薄膜之間差異有所變化。 表面表示一種相與另一種相之間的不連續，所以表面的物理化學性質與體相物質不同。這種差異在很大程度上影響材料最頂部原子層。在材料內部按一定規則一個原子在各方向上被材料中的原子包圍。由于表面原子并不能在所有方向上被原子包圍，表面原子比體內活潑，有可能成鍵。
表面特性
材料的性能和改性處理隨深度或厚度而變化，對于一定性能和改性處理，隨深度變化顯得比較重要。表面分析可深入到每一個領域。在一些工藝技術領域中表面和表面分析較為重要，包括：
半導體、微電子學 微電路 超薄膜 線路板軟焊 清潔處理 薄膜穩定 鈍化層 潤滑 化工 塑料、涂層 催化劑 纖維 金屬鋼鐵工業 氮化、碳化	腐蝕 焊接 材料老化 晶界分凝 玻璃 涂層 發動機、電子設備 潤滑 腐蝕 氧化 材料老化、失效 合成纖維 粘合劑
光電發射過程
原子或分子吸收X射線光子，電子被激發出來。光電子動能依賴于光子能量(hν)和電子結合能（即電子離開表面所需能量）。
通過測量發射電子的動能，計算電子結合能，確定材料的近表面處元素及其化學態。結合能與許多因素有關，包括：   * 發射電子的元素   * 發射電子的軌道   * 發射電子原子的化學環境 The photoemission process involved for XPS surface analysis. The discs represent electrons and the bars represent energy levels within the material being analyzed. The equation governing the process is: KE = hν - BE
光電子能譜技術 為了說明XPS譜，在寬能量范圍內掃描了一張氧化鋇的全譜。在這張譜上有多個鋇和氧的峰以及表面雜質碳峰。用現代XPS能譜儀，這張氧化鋇的譜采集約10秒鐘。由于氧化鋇為絕緣體，在分析期間，在樣品上導入一束低能電子控制樣品荷電。在譜圖中譜峰下方出現了明顯的背景，這是由于電子在逃逸樣品前發生非彈性散射所致。這種非彈性散射降低了電子的動能和譜峰的強度。定量分析譜之前必須扣除背景。
Survey spectrum from barium oxide showing various barium and oxygen peaks and a carbon peak. 氧化鋇全譜，圖中出現了鋇和氧的多個峰和碳峰。
從XPS譜中也可以確定化學價態。 此處給出兩種方法處理聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）的C1s XPS譜。這兩個樣品的處理方法不同，一個是旋涂，另一個是切片PET。PET中的碳原子出現了3種化學態。兩種處理方法導致了不同的聚合物構形，也影響了XPS譜使得（－O－C－）峰發生微小移動。
聚對苯二甲酸乙二醇酯（ PET ）旋涂和切片的 C1s 的 XPS 譜。碳有 3 個不同的化學態。內插圖中給出了 PET 結構。（英國 Daresbury RUSTI, G Beamson 提供譜）