XPS数据处理方法技巧

尹宗杰，汪 霆，邢化朝

(1．广州特种承压设备检测研究院(国家节能传热及隔热产品质量监督检验中心)，广东 广州 510100；2. 赛默飞世尔科技(中国)有限公司，上海 201206)

XPS数据处理方法技巧

尹宗杰*1，汪 霆2，邢化朝2

(1．广州特种承压设备检测研究院(国家节能传热及隔热产品质量监督检验中心)，广东 广州 510100；2. 赛默飞世尔科技(中国)有限公司，上海 201206)

X射线光电子能谱仪(XPS)是表面分析中最主要的分析方 法，其中XPS数据分析和处理是广大科研工作者的难以攻克的难题。文中以实际数据为例，重点讲述通过XPS专业数据处理软件Avantage进行谱峰识别、元素及化学态谱峰重叠确认的处理方法和技巧。

X射线光电子能谱仪(XPS)；Avantage软件；谱峰识别；分峰拟合

目前X射线光电子能谱(XPS)技术[1]是应用非常广泛的的一种表面分析技术，其可以提供材料表面3～10 nm左右的元素组成及化学态信息。与其他表面分析手段俄歇电子能谱仪(AES)、二次离子质谱仪(SIMS)等相比，XPS 的最大特点便是能获取丰富的化学信息，并且对样品表面的损伤最轻微，定量分析效果较好。通过XPS与离子刻蚀手段相结合，被广泛地应用于化学分析、材料开发应用研究[2]、物理理论探讨等学术领域以及在机械加工、印刷电路技术、镀膜材料工艺控制、纳米功能材料开发等[3]工业领域，XPS都能提供全方位的解决方案。

X射线光电子能谱技术原理基于光电效应[4]，当一束特定能量的X射线照射到固体样品上时，便可将原子中的内层电子激发出来，激发出的光电子动能被能量检测器检测分析。通过能量守恒方程[5]即可求得样品中该电子对应的结合能。由于结合能是元素的指纹信息，当原子周围的化学环境发生变化，元素内层电子结合能会随之变化。因此可根据结合能变化推测元素的化学结合状态，即元素及化学态的定性分析。

在表面分析研究[6]中，通常我们不仅需要确定样品的元素种类及其化学环境，还需要求出其对应含量。然而在定量求取过程中，常常会遇到谱峰重叠的现象，却尚未见文献针对性地报道如何通过Avantage软件进行更加有效地数据分析。如何通过软件更加方便快捷的帮助我们进行数据分析，如何发挥仪器软件的特长挖掘更多真实的样品信息，是值得仔细探讨的。

1 Avantage软件介绍

Avantage软件为美国ThermoFisher Scientific公司自主研发的一款专门处理XPS数据的软件，具有一键式荷电校准、谱峰识别(全扫谱图的自动识峰、高分辨窄扫谱图的手动识峰)分峰拟合(单峰拟合、双峰拟合及非线性最小二乘法拟合)等多种功能，本文就最常用的几种功能使用技巧进行讲解,见图1。

图1 Avantage 软件界面Fig.1 Avantage software interface

2 谱峰识别

2.1 全扫谱图自动识峰

注：当样品中可能含有某种元素，软件不能确定是否有特定元素存在时，在自动识峰过程中会以“？”的形式进行标注。

图2(a)未处理的全扫谱图；(b)自动识别的全扫谱图

Fig.2 (a)Unprocessed full scan spectrogram; (b) Full scan spectrogram for automatic identification

2.2 高分辨窄扫谱图手动识峰

图3 高分辨窄扫谱图(a)未处理的全扫谱图；b)自动识别的窄扫谱图

Fig.3 (a)Unprocessed full scan spectrogram; (b) Full scan spectrogram for automatic identification

此时对元素或化学态对应元素进行定量时，需要将其他元素的贡献去掉，Avantage带有的分峰拟合功能可以很好地解决这个问题。

3 分峰拟合

3.1 单峰谱峰重叠

由于S轨道谱峰通常为单峰结构，因此一种化学态对应一个单峰结构，通过谱峰峰位的确认、对样品的了解、对其他元素谱图的统一判定以及参考文献或参考数据库的查阅，即可获得特定元素可能对应的化学态信息。

图4 高分辨窄扫谱图(a)未处理的全扫谱图；(b)拟合后的窄扫谱图

Fig.4 High resolution narrow scan spectrum (a)Unprocessed full scan spectrogram; (b) Narrow spectrum after fitting

图5 分峰拟合参数优化界面Fig.5 The interface of peak fitting and parameter optimization

3.2 双峰谱峰重叠

由于p、d、f轨道谱峰为双峰结构，因此一种化学态对应一对峰结构，通过谱峰峰位的确认、对样品的了解、对其他元素谱图的统一判定以及参考文献或参考数据库的查阅，即可获得特定元素可能对应的化学态信息。

图6 Cl2p高分辨窄扫谱图(a)未处理的全扫谱图；b)拟合后的窄扫谱图

Fig.6 Cl2p High resolution narrow scan spectrum (a)Unprocessed full scan spectrogram; (b) Narrow spectrum after fitting

图7 分峰拟合参数优化界面Fig.7 The interface of peak fitting and parameter optimization

当然在实际样品数据分析过程中有可能存在单峰谱图(s轨道谱图)和双峰谱图(p/d/f轨道谱图)的谱峰重叠，此时根据实际情况选择添加单峰/双峰的个数、确定峰位以及数据拟合参数的优化等等。

3.3 特殊谱峰谱峰重叠

实际样品数据分析过程中往往还会遇到俄歇谱峰和XPS谱峰产生谱峰重叠，或者一些p、d、f轨道上非对称的谱峰同时存在多种化学态需要对各化学态进行判定时，采用双峰拟合拟合效果不能很好满足要求，此时采用非线性最小二乘法即可得到满意的数据分析结果。

图8 特殊谱峰重叠谱图(a)XPS谱峰与俄歇谱峰的谱峰重叠；(b)非对称谱峰化学态的谱峰重叠Fig.8 Overlapping spectrum of special peaks (a) Overlap of spectral peaks and spectral peaks

4 结论

文中主要介绍了利用XPS数据处理软件Avantage帮助我们进行全扫谱图的自动识峰，以判定样品中大致含有哪些元素；高分辨窄扫谱图的手动识峰，以判定是否存在元素间的谱峰重叠；分峰拟合(包括单峰拟合、双峰拟合以及NLLSF拟合)，以将元素间及其化学态间的谱峰重叠进行分开，从而得到更加准确地定量结果信息。

[1] John F Watts.表面分析(XPS和AES)引论[J] . 吴正龙,译.上海：华东理工大学出版社,2007.

[2] 吕反修. 化学气相沉积金刚石膜的研究与应用进展[J]. 材料热处理学报,2010(1):15-28.

[3] Bertóti I ， Mohai M， László K.Surface modification of grapheme and graphite by nitrogen plasma: Determination of chemicalstate alterations and assignments by quantitative quantitative X-ray photoelectron spectroscopy[J].Carbon,2015, 84: 185-196.

[4] 曹也文.功能化石墨烯的制备及在高性能高分子材料中的应用[D].上海：复旦大学,2012.

[5] 余锦涛,郭占成,冯婷.X射线光电子能谱在材料表面研究中的应用[J].表面技术,2014(1):119-124.

[6] 卢炯平. X射线光电子能谱在材料研究中的应用[J]. 分析测试技术与仪器,1995(1):1-12.

(本文文献格式：尹宗杰，汪 霆，邢化朝.XPS数据处理方法技巧[J].山东化工，2017，46(12)：89-91,93.)

Technique of Data Processing Method during XPS Analysis

YinZongjie*1,WangTing2,XingHuachao2

(1. Guangzhou Testing Institute of Special Pressure Equipment, Guangzhou 510100, China;2.Thermo Fisher Scientific (China) Co.，Ltd., Shanghai 201206, China)

X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) is the most important method in surface analysis. And XPS data analysis and processing is difficult for many scientific researchers to overcome. Based on the actual data for example in this paper that focuses on XPS professional data processing software Avantage. The paper introduce data processing method and technique of software Avantage that can identifiy peaks, elements and chemical states.

X-ray photoelectron spectroscopy (XPS); Avantage softeware;peak identification;peak fitting

2017-06-07

尹宗杰(1983—)，山东潍坊人，主任工程师，主要从事节能水处理、热管理材料、石墨烯材料科学研究。

O657.62

A

1008-021X(2017)12-0089-03