X-光电子能谱仪的管理与维护

刘 朋，诸葛兰剑，李洁爱

(苏州大学 分析测试中心，江苏 苏州 215123)

X-射线光电子能谱仪(XPS)作为一类大型精密仪器，已成为表面元素定性、半定量分析以及元素化学价态分析的重要手段[1-7]，保证其高效运行是仪器管理者的职责所在. 作者所在的分析测试中心拥有一台Thermo Fisher公司生产的型号为ESCALAB 250Xi 的X 射线光电子能谱仪，支撑着材料与化学化工学部、物理与能源学部、医学部、纺织与服装学院、纳米学院等学院的教学科研工作. 由于服务对象多，样品量大，如何最大程度的提高仪器的使用效率成为摆在我们面前亟需解决的问题. 本文将从测试和仪器维护等方面的经验进行探讨.

1 测试

1.1 送样测试

学生、老师或校外人员通过学校大型仪器共享平台，预约测试机时，在预约时间内将样品送到XPS实验室并制样. 制备好的样品交由仪器管理者进行测试及后期数据处理，直至给出最后结果.

超高真空是XPS的重要运行、测试条件，超高真空系统的维护和保持非常重要，若操作不当，会使超高真空系统进气而耽误样品的测试. 原则上XPS由仪器管理者操作，不对学生开放. 但是由于XPS服务对象多，样品量大，我们中心每学期在学校大型仪器共享平台上发布XPS培训的通知，每个课题组可以安排一名研究生参加培训，培训的内容为理论知识、制样及注意事项，培训合格后方可送样测试.

1.2 样品制备和注意事项

首先，学生送样时必须详细填好送样单，并有导师的签字，送样单上要明确是否有需要全谱扫描、窄谱扫描的元素以及是否需要半定量分析. 原则上规定每个课题组一次最多可以送5个样，待拿到数据后方可继续送样. 样品要确保不吸水，在超高真空及X光照射条件下不分解，不释放气体，样品无磁性、毒性和放射性，一经发现违规送样，该课题组停止送样一个月.

XPS只能测固体样品，样品制备是XPS测试的关键步骤. 含Fe、Co、Ni等铁磁性样品要单独在一个样品台上制样. 对于块体材料(玻璃片、硅片、金属片)和薄膜样品直接剪成长、宽、高不超过20 mm×20 mm×3 mm的大小，然后用双面胶粘到样品拖的相应位置，务必提醒学生尽量保证块体材料的表面平整，厚度一定不能超过3 mm，否则无法测试.

粉末样品要确保其颗粒细(一般小于0.2 mm)且必须压片[8]. 粉末样品压片后，可以提高分辨率，减少背景干扰. 主要步骤是：在20 mm×20 mm的铝箔中间放上一片约5 mm×5 mm大小的双面胶，在双面胶上撒上一层样品，确保样品均匀，在样品的上面再盖一片铝箔，置于压片机上压片，压力为10 MPa，保持约1 min. 再剪一块略小于5 mm×5 mm大小的双面胶粘到样品拖的相应位置，将上述压好的两层铝箔四周剪小，直接粘到双面胶上，将最上层的铝箔揭掉，最后用洗耳球将表面松散的样品吹掉即可. 注意压片前最好标记一下两层铝箔的正反面，以免最后贴反. 制好样后务必要求学生检查样品是否粘牢，以防在测样的过程中掉到分析室. 由于同一样品托上放有不同课题组的样品，因此务必提醒学生制好样后将样品的相对形状和位置标记好，有利于后续的测试.

制样的过程中由于不当的操作可能会引入双面胶上的信号. 本室常用的双面胶有两种：透明的不导电胶和黑色的导电胶，其型号分别为Scotch 3M透明双面胶和日本日新双面导电胶带. 透明不导电胶的主要成分是C、N、O、Si，其相对质量分数为82.3%、14.2%、2.8%和0.7%,其全谱扫描如图1所示. 黑色导电胶的主要成分是C、O、Si，其相对质量分数为73.0%、22.9%、4.1%，主要测试UPS时使用，其全谱扫描如图2所示.

图1 透明不导电胶的全谱图Fig. 1 XPS survey of transparent conductive tape

2 仪器的维护

作为一名仪器管理人员，正确的使用和良好的维护不仅可以确保仪器始终保持良好的运行状态，还可以延长仪器使用寿命. 下面根据本人在实验室的工作经验，从真空系统的维护、循环水系统的维护、气路系统以及日常的维护等4个方面谈谈XPS的维护要点.

2.1 真空系统的维护

只有在超高真空条件下，低能电子才能获得足够长的平均自由程，而不被散射损失掉，从而到达检测器. 超高真空环境是表面分析技术本身的表面灵敏性所必需的，需要超高真空环境来保持样品表面的清洁. 因此，超高真空系统的保持和维护至关重要.

首先需要学生制备“干净”的样品，确保样品在超高真空及X光照射条件下不分解，不释放气体，其次，样品在进样室中应充分抽气. 为保证抽气充分，我们于前一天下班前将烘好的样品放入进样室，这样就可以保证一个晚上都在抽气. 同时，需要保持进样室门的清洁并定期运行钛升华泵以吸附影响真空的反应气体. 根据笔者的经验，每天上班的时候先留意一下进样室、准备室以及分析室的真空读数，在真空出现异常时要及时查看仪器的真空记录文档并排查原因. 同时，笔者还发现实验室的温湿度对仪器真空的影响显著，温湿度低的冬天仪器的真空度较好，而在温湿度高的夏天则需要采取降温和除湿的措施，才能获得要求的真空条件.

2.2 循环水系统的维护

循环水的作用是将系统内部包括分子泵、X-射线源、晶体、磁透镜的热量散发出去. 当X射线运行时，系统会自动监测冷却水的漏电流，若高于10 mA则需要更换循环水. 水冷机的滤网和金属过滤球要经常清洗，定期清洗仪器机柜可坼卸前面板的散热器滤网，还需定期换水，建议使用去离子水或蒸馏水. 笔者的经验是每半年更换一次，为防止藻类植物和微生物的生长，可加入约500 mL乙醇.

2.3 气路系统

气路系统包括压缩空气、高纯氮、氩气和氦气. 压缩空气是驱动所有气动阀门的动力，需维持0.3～0.7 MPa之间，建议在0.4 MPa左右. 当压缩空气压力较低时，仪器将自动进入保护状态，这时需要及时更换空气钢瓶. 高纯氮属于消耗量较大的气体，若是用气体钢瓶供气，在消耗将尽时要及时更换，并用肥皂水检查气路接口的气密性. 氩气和氦气不经常用，可将总阀关闭，使用时再打开并清洗气路.

2.4 日常的维护

XPS技术作为一种表面敏感的分析技术，对实验室的清洁程度要求较高[9]. 因为灰尘多为带有微量静电的细小颗粒，常飘浮于空气中，随气流而动，遇物便附着其上，从而影响测试结果，这就要求我们保持好实验室的卫生. 我们每周都要进行一次彻底的大扫除，包括拖地、擦拭仪器表面和擦拭实验台. 为了更好的保持实验室的卫生，我们要求学生必须穿鞋套进入. 此外，还需定期的关注氮气、压缩空气的压力、水温和水流量以及机械泵的泵油、液面高度、清洁程度等.

3 小结

我校自2012启用大型仪器共享平台以来，样品测试数量显著增加，且排队状况减少，不但提高了仪器使用效益，很好的完成测试任务，还锻炼了学生上机动手能力，使他们对X射线光电子能谱有更深入的认识[10]. 同时，作为一名仪器管理者，需要紧跟科学前沿，努力开发仪器的新功能、新应用，更好的为学校的教学科研服务.