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“XPS小課堂丨XPS儀器通能的選擇和譜線的靈敏度（一）
XPS小課堂
光電子能譜圖由一系列譜線（通常稱為寬譜圖）或一個(gè)至幾個(gè)為數(shù)不多的譜線（通常稱為窄譜圖或高分辨譜圖）所構(gòu)成。譜線信息包含三要素：峰位（結(jié)合能）、峰強(qiáng)（以峰高計(jì)數(shù)強(qiáng)度或計(jì)數(shù)率表示，但在定量分析中以峰面積表達(dá)更加準(zhǔn)確）、峰寬（以峰位強(qiáng)度一半處的寬度，即Full width at Half Maximum，簡寫為FWHM）。而在考察XPS的性能時(shí)，峰強(qiáng)（靈敏度）和半高寬（能量分辨率）是不可以、也是無法分割開來的。
01 XPS的能量分辨率
XPS的能量分辨率是儀器將兩個(gè)相鄰的譜峰分開的能力，通常能量分辨率越高，所采集到的光電子的越少，而能量分辨率越低，則采集到的光電子越多——不能離開能量分辨率來片面強(qiáng)調(diào)靈敏度的高低，同樣也不能片面強(qiáng)調(diào)靈敏度的高低而忽略能量分辨率，因此要正確評估XPS的性能，需要在給定的能量分辨率下的去比較靈敏度的高低，或者可以在給定的靈敏度下來比較能量分辨率的高低。
圖1. Ag 3d5/2能量分辨率為0.422eV時(shí)，靈敏度>300kcps
02 XPS譜線半高寬
XPS的能量分辨率通常由Ag 3d5/2的半高寬來進(jìn)行比較。譜線的半高寬從根本上講，是所測譜線的發(fā)射譜線與兩個(gè)展寬函數(shù)（X射線源和檢測系統(tǒng)響應(yīng)）的卷積結(jié)果。發(fā)射譜線的線型是洛侖茲型的，用來激發(fā)光電子的X射線也是洛侖茲型的，而檢測系統(tǒng)的響應(yīng)則是高斯型的，換言之我們看到的XPS的譜線的寬度是由三部分構(gòu)成的，即發(fā)射譜線的寬度、X射線源的展寬和檢測系統(tǒng)的展寬。
粗略來說測量到的XPS的譜線寬度大致是這樣的：
l wA是樣品原子能級的自然線寬——發(fā)射譜線的寬度是本征的，由其電子能級本身決定——電子能級壽命越長則譜線寬度越窄，電子能級壽命越長則譜線越窄，無法通過儀器的參數(shù)來改變；
l wx是X射線源的線寬——X射線源的展寬對特定的X射線源也是固定的，但是可以通過儀器的硬件設(shè)置改變，例如是否使用單色化的X射線源——500mm羅蘭圓的單色化的Al Ka線寬0.25eV，非單色化則為0.85eV，所以使用單色化光源的分辨率就好于非單色化的X射線源；
l wD是檢測系統(tǒng)的展寬；儀器的半球能量分析器半徑和通能共同決定了檢測系統(tǒng)的展寬——能量分析器半徑越大，本征的能量分辨就越好；而通能越小能量分辨也就越好，但是信號強(qiáng)度也會下降——能量分辨（通能）和信號強(qiáng)度近似呈對數(shù)曲線關(guān)系。
03 通能（Pass energy）
我們通常可以選擇不同的通能來實(shí)現(xiàn)不同的能量分辨率。
XPS的能量分析器通常采用固定分析器傳輸（Fixed Analyzer Transmission，F(xiàn)AT）或稱恒分析器能量（Constant Analyzer Energy，CAE）模式，待分析的光電子被減速到選定的通能而通過能量分析器，這是光電子在分析器的兩個(gè)半球之間移動(dòng)時(shí)的平均動(dòng)能。FAT（CAE）模式的優(yōu)點(diǎn)是能量分辨率在整個(gè)測量的動(dòng)能范圍內(nèi)保持恒定。
圖2. XPS通能原理示意圖
選擇較低的通能時(shí)，可以獲得了較好的能量分辨率，但同時(shí)靈敏度會降低，反之選擇較高的通能時(shí)，可以獲得更好的靈敏度，但同時(shí)分辨率會降低。
圖3. 在相同的X射線源功率下，以不同的通能（20eV和10eV）測試Al 2p
圖3清晰地顯示了較小的通能（10eV）時(shí)，能看到單質(zhì)態(tài)Al 2p出現(xiàn)明顯的雙峰劈裂，但是靈敏度相對較低（大致在7×103cps），而在較大的通能（20eV）時(shí)，單質(zhì)態(tài)Al 2p的雙峰劈裂幾乎消失了，但是靈敏度顯著提高（大致在2×104cps）。
本期介紹了XPS的重要參數(shù)能量分辨率與靈敏度之間的聯(lián)系，以及在實(shí)際操作中需要調(diào)節(jié)的參數(shù)——通能的基本概念，下期XPS小課堂將分享在具體的應(yīng)用中我們應(yīng)該如何選擇通能大小，以及如何在分析靈敏度和能量分辨率之間尋求更好的平衡。
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