x射线光电子能谱使用步骤

X射线光电子能谱（XPS）标准化操作与实操要点

在表面科学分析领域，X射线光电子能谱（XPS）凭借其对表面百埃深度内元素及化学态的表征，已成为材料研发与失效分析的核心手段。作为一项精密表征技术，其操作规范性直接决定了谱图的信噪比与定性定量的准确度。以下基于行业一线实验室的标准规程，对XPS的规范化使用步骤及技术参数进行深度拆解。

样品前处理：规避表面污染的源头

XPS探测深度通常在1-10 nm之间，这意味着任何微量的表面附着物都会干扰真实信号。在制样阶段，需遵循严格的清洁规程：

1. 形态适配：块状样品需确保测试面平整，尺寸通常控制在 $10mm \times 10mm$ 以内，厚度不超过 $3mm$。粉末样品则需通过压片或双面胶粘附在样品台上，且必须压实以防在抽真空过程中发生喷溅。
2. 除油去污：优先采用高纯乙醇或丙酮进行超声清洗，以去除加工残余油污。若样品对溶剂敏感，可采用惰性气体吹扫。
3. 真空预处理：针对多孔材料（如MOFs或催化剂），需在进样锁（Load-lock）中进行充分的预抽真空，直至压力达到 $10^{-6}$ mbar 以下，方可送入分析室。

进样与超高真空环境建立

XPS必须在超高真空（UHV）环境下运行，这既是为了防止光电子被残余气体分子散射，也是为了保护X射线源及探测器。

• 真空指标：分析室的工作真空度需稳定在 $10^{-8}$ mbar 至 $10^{-10}$ mbar 量级。
• 荷电补偿设置：对于陶瓷、聚合物等绝缘样品，测试中表面会积累正电荷，导致能谱峰向高结合能方向偏移。此时必须开启电子中和枪（Flood Gun），通过调节电流和能量平衡表面电荷。

参数设定与能谱采集策略

针对不同的分析需求，需灵活调整X射线源及能量分析器的各项参数。

在实际操作中，通常先进行一次快速全谱扫描以确定样品表面包含的所有元素。随后，针对目标元素（如 C 1s, O 1s 及关键金属轨道）进行多次循环的高分辨率扫描，以获取足够的信噪比。

数据校准与物理化学意义解析

原始数据获取后，结合能的准确校正（Calibration）是定性分析的前提。

1. 荷电校正标准：行业公认以污染碳（Adventitious Carbon）的 C 1s 峰作为参照，将其结合能定标为 284.8 eV。所有其他轨道能量需根据此偏移量进行平移。
2. 背景扣除：采用 Shirley 或 Tougaard 背景算法扣除因非弹性散射产生的底噪。
3. 峰拟合（Peak Fitting）：利用高斯-洛伦兹（Gaussian-Lorentzian）分峰函数进行拟合。在分峰过程中，必须严格遵循量子力学原理，例如 p 轨道的双峰强度比固定为 1:2，d 轨道为 2:3，f 轨道为 3:4。

实验结语与安全注意事项

完成测试后，需确保样品架完全退出分析位置后再进行卸载。针对易燃易爆或具腐蚀性的样品，在移出真空系统时应避免直接接触空气。X射线管的冷水循环系统稳定性需每日点检，以防止阳极靶材过热熔毁。

通过标准化流程的实施，不仅能有效延长仪器使用寿命，更能在复杂的材料表征中挖掘出更深层次的化学信息。