本發(fā)明屬于材料表面分析技術領域，特別是涉及一種表征材料表面元素分布的XPS成像分析方法。尤其涉及一種表征材料表面元素及不同價態(tài)元素分布的XPS成像分析方法。適用于材料表面缺陷、腐蝕、氧化、褪色等領域分析。

技術背景

X射線光電子能譜儀(X-ray Photoelectron Spectroscopy,縮寫XPS)，主要用于研究材料極表面的元素及元素不同價態(tài)組成等信息。它是利用X射線激發(fā)樣品表面元素的內層能級電子信號，再用電子能譜儀檢測光電子的動能及強度，進而確定元素的種類及價態(tài)等信息。而進一步對光電子能譜進行去除本底、圖譜擬合、對峰面積進行靈敏度因子法修正等數據處理則可以對元素的相對含量進行計算。

在傳統(tǒng)技術中，XPS主要用來對材料表面進行點分析表征，這是因為X射線的光斑直徑通常較大(幾十μm以上)，因此通過XPS進行表面元素成像的應用非常少，平行成像法是XPS成像應用的方法之一。1)如文獻[劉芬,邱麗美,趙良仲.分析化學研究簡報.vol.31(2003),No.9,pp.1082-1084.]所述，通過平行成像技術對AgCl和Na₂S₂O₃進行XPS成像，其用于計算元素相對含量的峰面積為光電子譜峰面積與低于譜峰7～8eV結合能處譜峰面積的差值。2)如文獻[Martin F,Lopez MC,Carrera,et al.Surface and interface analysis,vol.36(2004),pp.8-16.]所述，通過XPS平行成像技術研究了ZrO₂/304SS(873K)材料在經Ar離子刻蝕之后Zn，O，Fe，Cr譜峰強度的面分布情況。

如上所述，方法1、2類似，均通過平行成像法來表征元素在材料表面的分布狀況，平行成像的優(yōu)點是采集時間短，缺點是無法準確定義本底位置，如方法1所述，其將低于譜峰7～8eV結合能處定義為本底位置，無法避免其他X射線光電子峰、電子散射譜峰、俄歇譜峰等對本底的影響，如方法2所述，通過XPS譜峰強度來表征元素的分布狀況，并沒有對譜峰進行消除本底處理，不可避免會由于非彈性散射本底的存在而帶來誤差。本專利提供了一種表征材料表面元素及不同價態(tài)元素分布的XPS成像分析方法，通過逐點對材料表面元素采集光電子能譜得到，通過對每個點采集得到的元素窄譜進行細致的數據處理，可以得到材料表面元素及元素的不同價態(tài)分布情況。

技術實現要素：

本發(fā)明目的在于提供了一種表征材料表面元素分布的XPS成像分析方法，解決了目前采用技術不能定義本底位置的問題。實現了在定義本底位置的同時通過細致圖譜擬合，得到材料的表面信息，提供直觀準確的參考數據。

一種表征材料表面元素分布的XPS成像分析方法，具體步驟及參數如下：

1、按照光電子能譜儀對樣品的要求，制備需要進行XPS成像的待測樣品，按照光電子能譜儀的裝樣要求進行裝樣。

2、開啟單色化X射線槍，對需要成像的區(qū)域進行XPS點分析，確定需要進行成像的元素；設置成像區(qū)域及掃描節(jié)點；逐點對各個節(jié)點采集所需元素XPS窄譜；最后，運用XPS分析軟件(商業(yè)購買)對各元素的光電子能譜窄譜進行數據處理及成像轉化。

單色化X射線槍光斑直徑設置范圍為：200μm～500μm。

成像區(qū)域設置范圍為：200μm×200μm～2000μm×2000μm，成像區(qū)域優(yōu)選設為1000μm×1000μm。

掃描節(jié)點的數量設置范圍為3×3～64×64，優(yōu)選范圍值：10×10～32×32。

3、采集元素XPS窄譜，選取元素的X射線光電子能譜最強峰，當元素的X射線光電子能譜最強峰與其他元素譜峰重合，則選取次強峰或與其他元素譜峰不重合的最強峰。采集各個元素X射線光電子能譜時，要求通能相同。

通能設置范圍為10～50eV。

4、數據處理及成像轉化過程：

(1)去除本底：XPS分析軟件有三種本底類型(已有命名的)可以選擇：Linear、Shirley、Tougaard，優(yōu)選選擇Shirley類型本底，本底選擇范圍以能將光電子能譜峰面積定義出來為準。

去除本底的目的是去除光電子能譜的非彈性散射本底，將元素的光電子能譜譜峰面積定義出來，進而運用靈敏度因子法對峰面積進行修正，對各元素的相對含量進行計算。

(2)圖譜擬合：在出現光電子譜峰重疊情況時采用圖譜擬合，選擇存在重疊的光電子譜峰，點擊圖譜擬合功能Peak fit(屏幕上英文按鍵)，添加各峰位對應的譜峰進行擬合，同時對各峰位對應的譜峰進行分別命名，確定該光電子譜峰的歸屬。

(3)元素相對含量的計算：XPS分析軟件配有Scofield(人名)靈敏度因子數據庫或Wagner(人名)靈敏度因子數據庫。優(yōu)選選用Scofield靈敏度因子數據庫，在靈敏度因子一欄輸入各元素的靈敏度因子，即得到各元素譜峰修正后的峰面積；將所有元素修正后的峰面積之和歸一為100％，各元素的相對含量即為各元素修正后的峰面積在所有元素修正后的峰面積之和中所占的比例。

通過光電子能譜去除本底、圖譜擬合步驟時，元素譜峰峰面積已經定義出來，但由于各元素的光電子產生截面、非彈性散射平均自由程等參數不相同，對各元素相對含量計算時需要對峰面積進行靈敏度因子法修正處理。

(4)成像轉化：將所有節(jié)點各元素相對含量的高低以偽顏色圖像的形式呈現出來，以顯示各元素的分布情況。點擊成像轉化Creat Profile(屏幕上英文按鍵)，即呈現出各單個元素的相對含量分布圖，調節(jié)圖像內插級別Interpolationlevel可以改變成像的分辨率，內插級別設置范圍為256～512。點擊重疊按鈕Overlay Map(屏幕上英文按鍵)，可以將所有元素的成像在一張圖像上呈現出來，每個元素用一種顏色來表示，可以更直觀地看出各元素的分布情況，調節(jié)顏色級別Colour Level可以改變成像的分辨率，顏色級別設置范圍為4～32。

本發(fā)明的優(yōu)點在于：逐點對成像區(qū)域內表面元素采集光電子能譜，再經細致的數據處理后，精確的得到各元素相對含量的分布圖。摒棄了現有平行成像法不能定義本底位置的缺點，同時通過細致的圖譜擬合，可以得到更多有價值的材料表面信息，如不同價態(tài)元素的分布等等，從而為研究工作提供更為直觀準確的參考數據。

附圖說明

圖1為T-5CA鍍錫板樣品點腐蝕區(qū)域的XPS全譜圖。

圖2為成像區(qū)域與掃描節(jié)點的設置示意圖。

圖3為X＝0μm，Y＝0μm節(jié)點采集到的Sn3d窄譜圖。

圖4為X＝0μm，Y＝0μm節(jié)點處Sn3d窄譜圖去除Shirley本底后得到的譜峰面積示意圖。

圖5為X＝0μm，Y＝0μm節(jié)點處Sn3d窄譜圖的分峰擬合圖。

圖6為T-5CA鍍錫板樣品點腐蝕區(qū)域的Sn元素XPS成像圖片。

圖7為T-5CA鍍錫板樣品點腐蝕區(qū)域的Cr元素XPS成像圖片。

圖8為T-5CA鍍錫板樣品點腐蝕區(qū)域的Fe元素XPS成像圖片。

圖9為T-5CA鍍錫板樣品點腐蝕區(qū)域的O元素XPS成像圖片。

圖10為T-5CA鍍錫板樣品點腐蝕區(qū)域的Sn⁴⁺元素XPS成像圖片。

圖11為T-5CA鍍錫板樣品點腐蝕區(qū)域的單質Sn元素XPS成像圖片。

圖12為T-5CA鍍錫板樣品點腐蝕區(qū)域Sn、Cr、Fe、O四種元素分布的XPS成像圖片。

具體實施方式

實施例1

下面結合附圖說明本發(fā)明的具體實施方式：

為了表征T-5CA點腐蝕鍍錫板表面元素的分布狀況，以確定點腐蝕的區(qū)域及腐蝕程度，對T-5CA點腐蝕鍍錫板進行XPS成像分析，具體步驟及參數如下：

1、按照光電子能譜儀對樣品的要求，制備點腐蝕T-5CA鍍錫板樣品，按照光電子能譜儀的裝樣要求進行裝樣；

2、開啟單色化X射線槍，對鍍錫板點腐蝕區(qū)域進行XPS點分析，圖1是采集得到X射線光電子能譜全譜圖，從圖中可以看出，鍍錫板點腐蝕區(qū)域主要含有Sn、Cr、Fe、O等元素，接下來對Sn、Cr、Fe、O進行XPS成像。

單色化X射線槍光斑直徑設置為：200微米。

成像區(qū)域設置為：1000μm×1000μm。

掃描節(jié)點的數量設置為：32×32。

圖2是成像區(qū)域與掃描節(jié)點的設置示意圖。

3、采集元素XPS窄譜，選取Sn、Cr、O的X射線光電子能譜最強峰Sn3d，Cr2p，O1s進行XPS窄譜的采集，由于Fe的XPS最強峰Fe2p與Sn3p存在重疊情況，于是選用Fe的XPS次強峰Fe3p進行XPS窄譜的采集。

通能設為20eV。

圖3是在X＝0μm，Y＝0μm節(jié)點采集到的Sn3d窄譜圖。

4、數據處理及成像轉化過程：

(1)去除本底：打開Thermo Avantage(Ver.5.952)軟件，為測試得到的Sn3d、Cr2p、Fe3p和O1s譜峰去除本底，本底形式設為Shirley，得到各元素譜峰峰面積。圖4顯示的是X＝0μm，Y＝0μm節(jié)點處Sn3d窄譜圖去除Shirley本底后得到的譜峰面積示意圖。然后軟件自動調入數據庫中各元素的Scofield靈敏度因子，計算出各元素所占的相對含量，Sn、Cr、Fe和O各所占的相對質量百分比分別為54％、22％、7％和17％。

(2)圖譜擬合：為了分析Sn元素不同價態(tài)的分布情況，對Sn3d進行分峰擬合處理，點擊圖譜擬合功能Peak fit，添加各峰位對應的譜峰進行擬合。圖5是X＝0μm，Y＝0μm節(jié)點處Sn3d窄譜圖的分峰擬合圖，根據Sn3d_5/2A、Sn3d_5/2B的峰位484.9eV、486.4eV，判斷出Sn3d_5/2A、Sn3d_5/2B峰的歸屬分別為單質Sn與Sn⁴⁺，然后軟件自動調入數據庫中Sn的Scofield靈敏度因子，計算出Sn各價態(tài)所占的相對含量，單質Sn與Sn⁴⁺各所占的相對質量百分比分別為12％、42％。

(3)成像轉化：選擇各個元素，點擊成像轉化Creat Profile，呈現出各單個元素的相對含量分布圖，調節(jié)圖像內插級別Interpolation level為512，圖6～圖11分別是Sn、Cr、Fe、O、Sn⁴⁺與單質Sn的XPS成像圖片。選擇Sn、Cr、Fe和O四個元素，點擊重疊按鈕Overlay Map，將這四種元素的成像在一張圖像上呈現出來，調節(jié)顏色級別Colour Level為8，圖12是Sn、Cr、Fe、O四種元素分布的XPS成像圖片。

總結，從圖6～圖9可以看出，中心點蝕區(qū)域Cr、Sn較少，Fe、O較多，說明鍍錫板點蝕區(qū)域鈍化膜與錫層已明顯減薄，點蝕明顯，但點蝕區(qū)域Sn含量仍較高，點蝕還未明顯擴展到基板處，從圖10、圖11可以看出，鍍錫板表面Sn⁴⁺較單質Sn多，因為表面主要含有Sn、Cr、Fe、O四種元素，Sn⁴⁺極有可能以SnO₂形式存在，說明材料表面Sn的氧化嚴重。對比圖10與圖11，Sn⁴⁺的成像暗部區(qū)域較小，Sn⁴⁺的相對含量最低到20.6％，而中心點蝕區(qū)域單質Sn的成像暗部區(qū)域較大，單質Sn的相對含量最低到4.56％；而在鍍錫板其余正常區(qū)域，Sn⁴⁺的相對含量最高到30.6％，單質Sn的相對含量最高到10.7％，點蝕區(qū)域Sn⁴⁺與單質Sn的相對含量比值遠高于正常區(qū)域，說明在中心點蝕區(qū)域，更高比例的Sn元素被用來氧化。從圖12可以看出，點腐蝕中心Fe元素含量最高，而點腐蝕邊緣主要分布著O元素，未腐蝕區(qū)域Sn、Cr含量較高，還含有一些O元素，而Fe元素則幾乎沒有。

以上實施例采用美國賽默飛世爾公司出品的XPS分析軟件Thermo Avantage(Ver.5.952)。