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高新技术改造传统产业

需求背景

X射线光电子能谱(XPS) 技术也被称为化学分析电子能谱( ESCA)，其利用软X射线源辐照样品表面，样品表层原子吸收其能量，当原子轨道中的电子结合能小于入射光的能量时，便会激发出具有一定动能的自由电子，即光电子．光电子携带样品表面的信息具有特征能量，通过电子能量分析器和电子检测器可以得到这些光电子的动能和数量，进一步分析可以得到样品表面元素组成、化学状态和电 子结构等信息，X射线光致电离的同时，还会产生俄歇电子和荧光X 射线等。XPS 技术具有灵敏度高、分辨率高、全元素分析( 除 H 和 He) 、非破坏性分析、深度剖析、小于10 nm 薄膜分析(角分辨) 、元素化学态分布(XPS 成像技术)等特点，已广泛应用于表面、薄膜以及界面等相关研究和生产领域。

需解决的主要技术难题

如何得到准确且分辨率高的图谱是光电子能谱测试的关键． 由于光致电离过程中大量光电子从样品表面逃逸出，使得样品表面积聚大量正电荷，导致出射光电子的动能降低。同时，正电荷也会阻碍出 射光电子的数量，在图谱上表现为谱峰往结合能高的方向移动、半峰宽变宽和图谱非对称等异常现象。通常情况下，对于块体和粉末样品，仪器配备的荷电中和系统可以产生低能电子，能够很好地中和样品 表面电荷。但实际测试时，特别是对于粉末样品，由于制样导致的样品表面电荷不均匀( 如样品颗粒大小差异、导电性差异和样品表面不平整等因素) 现象，在测试时会遇到谱峰不对称、谱峰变宽、结合能 偏高等问题，严重时甚至出现双峰或三峰等不规则图谱。此时，往往需要调节中和枪参数或重新制备样品来解决荷电问题，从而大大降低了测试效率。荷电的存在还会对后续数据处理结果产生较大的影响，如荷电引起的峰会使得分析人员误以为是多种化学状态的存在，谱峰变宽和谱峰位移会使得拟合时无法准确判断峰位和峰面积，从而无法得到准确的拟合结果。目前，粉末样品主要的制样方式为压片法和直接粘样法。双面胶压片能够提高样品表面平整度且提高导电性，有效减少测试时的荷电现象，使得信号强度和信噪比明显改善。压片法对 于核壳结构的样品，压片不当容易破坏样品结构，得到的图谱包含了样品壳层和核内的信号。

本项目针对使用碳导电胶带制备导电、不导电和混合粉末( 模拟样品表面荷电分布不均匀) 样品时，由于碳导电胶带压片后极易从粉末样品中渗出，对碳谱产生影响的现象进行研究，为了方便比较，不选择压片制样，分别使用不同胶带，采用粘样法和铟片法，使用X射线光电子能谱仪在样品最佳高度条件下进行分析，从图谱能量分辨率、是否有荷电、准确性、制样效率及数据处理等角度，论述这两类样品制备方法的优缺点，为今后不同粉末样品的制备工作提供依据。

期望实现的主要技术目标

以不同类型的导电粉末、不导电粉末和混合粉末为测试对象，分别使用Scotch 双面胶带和NEM 碳导电胶带粘取制样，Scotch双面胶带和NEM碳导电胶带铟片制样进行测试并分析。从制样效率来看，粘样法较为简单，粘牢后测试时真空变化不大，说明粉末不易脱落，适用于样品数量较多的第三方检测机构，而铟片法略显复杂。从分辨率和是否有荷电考虑，对于导电粉末和不导电粉末，4 种制样方式均能得到无明显荷电且分辨率较高的图谱，得益于仪器强大的荷电中和系统，其中碳导电胶带粘样法效果最佳。对于混合粉末，Scotch双面胶带粘样法明显优于其他3种制样方法。从数据准确性来看，由于铟片法会得到铟片表面信号，不适用测试主要含C、O以及受In信号干扰的样品，当粉末颗粒较细时，能够较好地覆盖铟片表面，能够得到较为真实的粉末信号，且降低了铟信号的干扰。同时，铟片法测试对于表面污染C较少或C峰受干扰的情况下，可作为数据处理时荷电校正的一种参考方法，有待进一步探究。在日常测试工作中，对于不同类型的粉末样品，测试人员应考虑多方面因素，选择最佳的制样方式，这样得到的图谱和拟合结果才会更加准确。

需求解析

解析单位：“科创中国”科技创新全链条服务生态系统专业科技服务团（北京八月瓜科技有限公司） 解析时间：2022-11-19

李力力

中国原子能科学研究院

研究员

综合评价

X射线光电子能谱(XPS) 技术具有灵敏度高、分辨率高的技术特点，可广泛应用于表面、薄膜以及界面的无损分析，在材料学、地质学、核工业等领域具有重要应用价值。XPS的分析对象涉及导电、不导电等各类样品，因此，有针对性的制样技术是进行XPS准确分析的重要环节。 在研究中以不同类型的导电粉末、不导电粉末和混合粉末为测试对象，分别使用Scotch双面胶带和NEM 碳导电胶带粘取制样，Scotch双面胶带和NEM碳导电胶带铟片制样4种方式进行测试并分析。依据制样效率、分辨率、是否存有电荷等多维度评价制样结果，主要研究的影响因素包括样品腔真空度值、分辨率值、粉末样品脱落率、电荷中和系统值、粉末颗粒度、铟片法中干扰元素等。根据测量结果准确性，最终得到不同类型样品的最佳制样条件和适用范围。

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处理进度