x射线光电子能谱操作指南

样品制备的底层逻辑与细节

在XPS（X-射线光电子能谱）分析中，样品的表面状态直接决定了数据的真实性。由于XPS探测深度通常在5-10nm，任何轻微的表面污染都会被放大。

对于固体薄片或块体材料，尺寸通常建议控制在5×5mm至10×10mm之间，厚度不超过2mm。非导电样品必须注意排除静电干扰。粉末样品则需通过压片或双面胶粘贴法固定，且要确保粉末完全覆盖基底，防止基底信号干扰。对于含挥发性物质的样品，必须在进入预抽室前进行长时间真空干燥，防止在超高真空（UHV）腔体内发生放气，导致真空度恶化（通常需维持在10⁻⁷ Pa以下）。

关键采集参数的权衡博弈

在实际操作中，通过能（Pass Energy）和步长（Step Size）的选择是实验设计的核心。高通过能可以提高灵敏度，缩短采集时间，但会牺牲能量分辨率；低通过能则能获得精细的峰形，利于化学态分析。

下表列出了针对不同分析目的推荐的标准操作参数：

• 全谱扫描（Survey Scan）：
  • 通过能：100 eV - 160 eV
  • 步长：0.5 eV - 1.0 eV
  • 停留时间：10 ms - 50 ms
  • 目的：定性分析，识别表面存在的所有元素（H、He除外）。
  
  
• 高分辨精细谱（High-resolution Scan）：
  • 通过能：10 eV - 40 eV
  • 步长：0.05 eV - 0.1 eV
  • 扫描次数：根据信号增益（S/N比）确定，通常不少于5次。
  • 目的：定量分析，确定元素的化学位移及价态。
  
  

荷电补偿与能量校准的实战技巧

非导电样品在X射线照射下，表面电子流失会导致正电荷积累，造成谱峰向高结合能方向偏移。开启中和枪（Neutralizer）是常规手段，但过度补偿会导致谱峰展宽或位移方向相反。

操作者通常采用外标法或内标法进行校准。常用的参照点是污染碳（Adventitious Carbon）的C 1s峰，其结合能通常设定为284.8 eV。需要注意的是，对于石墨、碳纤维或含大量碳氟基团的特殊材料，C 1s校准法可能失效，此时需寻找样品的内部特征峰（如体相金属峰）或利用喷金/喷铂法进行标定。

数据解析：从原始谱图到元素价态

获取谱图后的步是基线扣除。常用的扣除方式包括Linear（线性）、Shirley（谢莉尔）和Tougaard（图加德）法。对于金属等具有明显非对称峰形的材料，通常采用Doniach-Sunjic函数进行拟合；而对于半导体或绝缘体，高斯-洛伦兹（Gaussian-Lorentzian）混合函数（通常比值设定在70:30或80:20）则更为适用。

在进行多重分裂（Multiplet Splitting）或卫星峰（Satellite Peaks）识别时，必须参考标准数据库（如NIST XPS Database）。例如，Cu 2p谱图中是否存在强烈的卫星峰，是区分CuO（二价铜）与Cu₂O（一价铜）的关键判据。

实验环境与设备维护建议

维持真空系统的稳定性是保障数据质量的前提。离子泵（Ion Pump）和钛升华泵（TSP）的定期维护不可忽视。在处理对空气敏感的样品（如锂电池极片）时，必须配备原位手套箱过渡舱，实现全流程无氧转移。定期利用标准样（如Ag、Au、Cu）校准仪器的能量线性度和传递函数，是确保跨平台数据比对具有公信力的必要步骤。