XPS深度剖析概述

在材料分析表征领域，除了要获得样品表面的成分外，人们还希望了解样品在纵深方向上，不同成分是如何分布，以全面掌握样品的各种信息；X射线光电子能谱仪(简称XPS)，作为一种常规样品表面成分表征手段，除了可以提供样品表面的成分和元素的化学状态，还可以配合溅射离子枪，对样品进行逐层剥离，获取样品在深度方向的成分和化学态信息 。最常规的是Ar离子枪。

基本原理

样品深度剖析就是在采用溅射离子枪（Ar, C60 或 者Ar2500）对样品表面进行溅射剥离，然后，使用X-射线照射样品表面，激发光电子发射，通过 能量分析器分析溅射后样品表面的光电子动能，从而得知该层中元素的信息。如此交替进行，即溅射、分析不断交替（如右图2所示），就可以得到样品中每一层的元素信息。有时候，为了提高 样品的深度剖析的分辨率，常常采用边旋转边溅射的模式，这样可以很好地避免不同元素的择优溅射问题。

溅射深度分析示意图

深度剖析

元素的深度剖析，可以给出元素的在样品中的纵向分布，即元素的含量随样品深度的变化关系。 右图3是典型的深度分布曲线，纵坐标表征元素的相对含量，横坐标表征样品的深度。元素的深度分布曲线可以展示元素在深度方向上，元素的含 量变化，即浓度梯度。据此，可以判断元素在纵 深方向上分布是否均匀，以及浓度梯度是否符合预期。

除此之外，元素的深度分布曲线还可展示各个膜 层的厚度，以不同厚度的膜层中元素的相对含量 ；以及界面处元素分布的分布情况，判断界面处有无交互扩散、元素迁移，杂质污染等现象，是研究材料界面性能的主要手段。

图3：是典型的深度分布曲线

对于不同的材料进行深度剖析时，一定要选择合适的溅射条件，其中包括选择合适的离子源，如Ar，C60，还是 GCIB；对于一般的金属极其氧化物，建议使用Ar离子源；对于有机物薄膜的溅射，建议使用C60或GCIB源； 另外，还需要选定溅射源的入射能量，一般而言，入射能量越高，溅射速率越快，但是造成界面处的原子混合 越严重，深度分辨率也就越差。

结语

X-射线光电子能谱（XPS）的深度分析功能，拓展了XPS的应用功能，除了可以表征样品表面分析的成分，也 可在纵深方向上给出材料中的元素分布状况。