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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）或一個至幾個為數不多的譜線（通常稱為窄譜圖或高分辨譜圖）所構成。譜線信息包含三要素：峰位（結合能）、峰強（以峰高計數強度或計數率表示，但在定量分析中以峰面積表達更加準確）、峰寬（以峰位強度一半處的寬度，即Full width at Half Maximum，簡寫為FWHM）。而在考察XPS的性能時，峰強（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調靈敏度的高低，同樣也不能片面強調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。
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圖1. Ag 3d5/2能量分辨率為0.422eV時，靈敏度>300kcps
02?XPS譜線半高寬
XPS的能量分辨率通常由Ag 3d5/2的半高寬來進行比較。譜線的半高寬從根本上講，是所測譜線的發射譜線與兩個展寬函數（X射線源和檢測系統響應）的卷積結果。發射譜線的線型是洛侖茲型的，用來激發光電子的X射線也是洛侖茲型的，而檢測系統的響應則是高斯型的，換言之我們看到的XPS的譜線的寬度是由三部分構成的，即發射譜線的寬度、X射線源的展寬和檢測系統的展寬。
粗略來說測量到的XPS的譜線寬度大致是這樣的：
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l?wA是樣品原子能級的自然線寬——發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，但是信號強度也會下降——能量分辨（通能）和信號強度近似呈對數曲線關系。
03?通能（Pass energy）
我們通常可以選擇不同的通能來實現不同的能量分辨率。
XPS的能量分析器通常采用固定分析器傳輸（Fixed Analyzer Transmission，FAT）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半球之間移動時的平均動能。FAT（CAE）模式的優點是能量分辨率在整個測量的動能范圍內保持恒定。
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圖2. XPS通能原理示意圖
選擇較低的通能時，可以獲得了較好的能量分辨率，但同時靈敏度會降低，反之選擇較高的通能時，可以獲得更好的靈敏度，但同時分辨率會降低。
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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，能看到單質態Al 2p出現明顯的雙峰劈裂，但是靈敏度相對較低（大致在7×103cps），而在較大的通能（20eV）時，單質態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的重要參數能量分辨率與靈敏度之間的聯系，以及在實際操作中需要調節的參數——通能的基本概念，下期XPS小課堂將分享在具體的應用中我們應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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