XPS应用研究及常见问答

研究应用

01 二维TMDs制备合成

具有半金属性质的亚稳态1T'-相过渡金属二硫属化合物（1T'-TMDs）由于其独特的畸变结构和有趣的相依赖理化性质而引起了人们广泛的研究兴趣。香港城市大学张华，新加坡南洋理工大学Kedar Hippalgaonkar等人报道了一种大规模合成亚稳1T'相VIB族 TMDs的通用合成方法，包括WS2，WSe2，MoS2，MoSe2，WS2xSe2（1-x）和MoS2xSe2（1-x）。

WS2的晶体结构和表征

1T′-和2H-WS的结构

1T′-和2H-WS的表征

通过一系列表征方法对合成的高纯1T′-TMD晶体进行了表征，其中的XPS测试表征中1T′-WS2的W 4f峰位于31.5和33.7 eV，可以分别归属于4f 7/2和4f 5/2。与2H-WS2相比，这些峰值表现出了~0.9eV的明显的向低结合能的转移。在S 2p XPS光谱中也观察到类似的结果。重要的是，高分辨率的K 2p XPS光谱和AES测量证实了制备过程中1T′-WS2晶体中的钾被完全去除。

该工作报道的策略为大规模制备高纯度的亚稳TMDs纳米材料铺平了道路，为探索其相依赖的理化特性和应用提供了平台。

02 低维超薄AlN的超宽带隙

北京大学物理学院宽禁带中心王新强、沈波课题组利用超高真空分子束外延技术，及选择性热蒸发方法，实现了高质量原子层级别AlN纳米管的制备，并证实其具有大于体材料的禁带宽度。此项研究表明，III族氮化物半导体材料的禁带宽度随着维度的变化极具拓展空间，同时也为低维氮化物的材料器件研究提供了新思路，并有望为基于氮化物二维材料的功能化器件研制提供新选择。相关研究成果发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201902608)。

a.AlN模板和NTs的N 1s的高分辨率XPS光谱。b. STEM-EELS光谱

利用X射线光电子能谱（XPS）和高空间分辨电子能量损失谱（EELS）从宏观和微观尺度分析了AlN纳米管禁带宽度随壁厚的演变趋势，发现随着壁厚的下降带隙能量显著增大，在壁厚为2个原子层时达到9.2 eV，与理论预测相符。第一性原理计算表明该带隙能量源于一维超薄原子层结构的强量子限制效应。

此项研究表明，III族氮化物半导体材料的禁带宽度随着维度的变化极具拓展空间，同时也为低维氮化物的材料器件研究提供了新思路，并有望为基于氮化物二维材料的功能化器件研制提供新选择。

常见问答

01 X射线光电子能谱分析能得到哪些信息？元素化学态如何鉴别？

（1）可以分析除H和He以外的所有元素，对所有元素的灵敏度具有相同的数量级。

（2）相邻元素的同种能级的谱线相隔较远，相互干扰较少，元素定性的标识性强。

（3）能够观测化学位移。

化学位移同原子氧化态、原子电荷和官能团有关。

化学位移信息是XPS用作结构分析和化学键研究的基础。

（4）可作定量分析。

既可测定元素的相对浓度，又可测定相同元素的不同氧化态的相对浓度。

（5）是一种高灵敏超微量表面分析技术。

样品分析的深度约2 nm，信号来自表面几个原子层，样品量可少至10-8g，绝对灵敏度可达10-18g。

02 X射线光电子能谱为什么测不了氢和氦？

氢、氦只有一个电子层，XPS测试时当X射线照射后发射出光电子，需要外层电子补充进去，氢、氦只有一个电子层因此XPS无法测试。

X射线源是用Al或Mg作阳极的X射线管。它们的光子能量分别是1486 eV和1254 eV 。安装过滤器（或称单色器）是为了减小光子能量分散。

离子枪的作用一方面是为了溅射清除样品表面污染，以便得到清洁表面，从而提高其分析的准确性。另一 方面，可以对样品进行溅射剥离，以便分析不同深度下样品的成份。

03 光电子能谱可以测试挥发性物质吗？

应该是不可以的，XPS测试的时候要抽真空的，而且XPS测试的时候样品量特别少，挥发组分可能会被抽没掉，也有可能污染仪器，不建议测XPS。

X射线光电子能谱（XPS），基于光电离作用，当一束光子辐射到样品表面时，光子可以被样品中某一元素的原子轨道上的电子所吸收，使该原子解脱原子核的束缚，以一定的动能从原子内部发射出来，变成自由的光电子，而原子本身则变成一个激发态的离子。当固定激发源能量时，其光电子的能量仅与元素的种类和所电离激发的原子轨道有关，由此根据光电子的结合能定性分析物质的元素种类。经X射线辐照后，从样品表面射出的光电子的强度与样品中该原子的浓度呈线性关系，可以进一步进行元素的半定量分析。另外，XPS的重要应用是对元素的化学价态进行分析。