XPS小课堂

光电子能谱图由一系列谱线（通常称为宽谱图）或一个至几个为数不多的谱线（通常称为窄谱图或高分辨谱图）所构成。谱线信息包含三要素：峰位（结合能）、峰强（以峰高计数强度或计数率表示，但在定量分析中以峰面积表达更加准确）、峰宽（以峰位强度一半处的宽度，即Full width at Half Maximum，简写为FWHM）。而在考察XPS的性能时，峰强（灵敏度）和半高宽（能量分辨率）是不可以、也是无法分割开来的。

01 XPS的能量分辨率

XPS的能量分辨率是仪器将两个相邻的谱峰分开的能力，通常能量分辨率越高，所采集到的光电子的越少，而能量分辨率越低，则采集到的光电子越多——不能离开能量分辨率来片面强调灵敏度的高低，同样也不能片面强调灵敏度的高低而忽略能量分辨率，因此要正确评估XPS的性能，需要在给定的能量分辨率下的去比较灵敏度的高低，或者可以在给定的灵敏度下来比较能量分辨率的高低。

图1. Ag 3d5/2能量分辨率为0.422eV时，灵敏度>300kcps

02 XPS谱线半高宽

XPS的能量分辨率通常由Ag 3d5/2的半高宽来进行比较。谱线的半高宽从根本上讲，是所测谱线的发射谱线与两个展宽函数（X射线源和检测系统响应）的卷积结果。发射谱线的线型是洛仑兹型的，用来激发光电子的X射线也是洛仑兹型的，而检测系统的响应则是高斯型的，换言之我们看到的XPS的谱线的宽度是由三部分构成的，即发射谱线的宽度、X射线源的展宽和检测系统的展宽。

粗略来说测量到的XPS的谱线宽度大致是这样的：

• wA是样品原子能级的自然线宽——发射谱线的宽度是本征的，由其电子能级本身决定——电子能级寿命越长则谱线宽度越窄，电子能级寿命越长则谱线越窄，无法通过仪器的参数来改变；

• wx是X射线源的线宽——X射线源的展宽对特定的X射线源也是固定的，但是可以通过仪器的硬件设置改变，例如是否使用单色化的X射线源——500mm罗兰圆的单色化的Al Ka线宽0.25eV，非单色化则为0.85eV，所以使用单色化光源的分辨率就好于非单色化的X射线源；

• wD是检测系统的展宽；仪器的半球能量分析器半径和通能共同决定了检测系统的展宽——能量分析器半径越大，本征的能量分辨就越好；而通能越小能量分辨也就越好，但是信号强度也会下降——能量分辨（通能）和信号强度近似呈对数曲线关系。

03 通能（Pass energy）

我们通常可以选择不同的通能来实现不同的能量分辨率。

XPS的能量分析器通常采用固定分析器传输（Fixed Analyzer Transmission，FAT）或称恒分析器能量（Constant Analyzer Energy，CAE）模式，待分析的光电子被减速到选定的通能而通过能量分析器，这是光电子在分析器的两个半球之间移动时的平均动能。FAT（CAE）模式的优点是能量分辨率在整个测量的动能范围内保持恒定。

图2. XPS通能原理示意图

选择较低的通能时，可以获得了较好的能量分辨率，但同时灵敏度会降低，反之选择较高的通能时，可以获得更好的灵敏度，但同时分辨率会降低。

图3. 在相同的X射线源功率下，以不同的通能（20eV和10eV）测试Al 2p

图3清晰地显示了较小的通能（10eV）时，能看到单质态Al 2p出现明显的双峰劈裂，但是灵敏度相对较低（大致在7×10³cps），而在较大的通能（20eV）时，单质态Al 2p的双峰劈裂几乎消失了，但是灵敏度显著提高（大致在2×10⁴cps）。

本期介绍了XPS的重要参数能量分辨率与灵敏度之间的联系，以及在实际操作中需要调节的参数——通能的基本概念，下期XPS小课堂将分享在具体的应用中我们应该如何选择通能大小，以及如何在分析灵敏度和能量分辨率之间寻求更好的平衡。

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