XPS原始數據處理

導讀

本文主要介紹了關於高分辨譜的數據處理與分析。

1. XPS高分辨譜可以拿到什麼數據？

一般而言，大家在做高分辨譜的時候，是期望看到表面某些元素的電子結構信息，判斷該元素的化學態以及所處的化學環境等等，進而說明樣品的表面結構或其變化。故此，XPS的高分辨一定是有針對性的，所要測的元素也是大家很明了的。

一般除了大家想要測的元素之外，一般測試的時候還需要測一個C的高分辨譜，用於荷電校正。

國內像XPS這樣的大型儀器一般都有專人進行測試，因此我們所得到的原始數據一般為xls文件。下圖所示為Pb3O4的XPS原始數據，除了Pb, O之外，還有C的高分辨譜以及各元素的半定量分析結果。

2. 荷電校正

拿到XPS高分辨譜，第一步是要進行荷電校正，得到準確的結合能數據。那麼如何進行校正呢？上一期分享中我們已經說過，荷電校正一般將外來污染碳（284.8 eV）作為基準。具體如何操作呢？

A. 計算荷電校正值。

具體操作：將C1s的數據複製到origin中，做成曲線圖，並通過數據讀取工具來識別C1s譜中的峰值坐標（主要是結合能）。

以下圖為例，C1s的結合能為284.5 eV，而外來污染碳的標準值為284.8 eV,因此，荷電校正值為284.8-284.5 eV=0.3 eV。也就是說，此次測試的這個樣品，所有元素的結合能均需要+0.3 eV作為荷電校正從而得到準確的結合能值。

補充說明：對於樣品中本身就含碳的樣品，採用C1s來進行荷電校正的時候一定要小心。如果樣品本身導電，實際上可以不用荷電校正。如果樣品本身導電性較差，而樣品中又含碳，那麼需要對樣品進行分峰，分峰之後找到外來污染碳的譜峰，將其作為基準進行校正才是準確的（並不是哪個峰最強就將其作為基準）。實際上，荷電校正值一般不會超過0.5 eV. 如果本身含碳，也可以採用噴金的方法，以Au4f7/2(84.0 eV)作為基準來進行荷電校正。

B. 對每一個高分辨譜進行荷電校正

具體操作：將各元素的元素數據（結合能與譜線強度）拷貝到origin中，以結合能為X軸，譜線強度為Y軸，將X軸加上荷電校正值對其進行荷電校正。

下圖所示為具體操作（荷電校正值為上面所算的0.3 eV）：

經過這樣的操作之後，origin的表中所顯示的就是校正過之後的結合能與譜峰強度。

3. 數據分析

高分辨譜經過分峰擬合之後，就可以用來確定元素的化學態了，或者通過反應前後樣品的高分辨譜圖對比來得到其表面電子結構的變化信息等等。

XPS的數據處理採用專業的軟體會更加方便，比如XPSpeak, CASAXPS等，這裡我們簡單來分享下XPSpeak 的使用。

XPSpeaks分峰擬合：

第一步：將數據轉換為txt格式

具體操作：將荷電校正過之後的數據拷貝到一個新建的txt文件中。

關鍵點：第一行要直接以數據開始，最後一行以數據結束，不能有空行或其他文字，否則將無法導入XPSpeak 4.1軟體中。

第二步：利用XPS peak軟體導入txt文件

具體操作如下圖所示：

第三步：建立基線

具體操作：點擊菜單中Background,在彈出來的窗口中High BE和Low BE的數據是自動讀取的，不需要改變

Background type一般選取Shirley,基線的優化主要靠Shirley+Linear的Slope來實現，可以手動輸入數值，然後點擊accept就可以看到基線了，如果覺得基線不是特別好，可以通過改變Slope的值進行調整。

第四步：加峰

具體操作：點擊Add peak會彈出一個新窗口，在Peak Type處選擇s、p、d、f等峰類型（根據需要來選，不影響分峰），S.O.S選0.

在Position處輸入希望的峰位，需固定時則點fix前小方框，同法還可選半峰寬（FWHM）、峰面積等。

設置好之後，點擊accept添加該峰。

同樣的方式，可以添加第二個峰。對於p,d,f軌道而言，譜線都有裂分，裂分的峰之間存在一定的關係，需要特別注意，以下為常見規則：

A. 對於p、d、f等能級的次能級（如p3/2、p1/2，為簡便省略/2，簡稱為p3、p1）強度比是一定的，p3:p1=2:1；d5:d3=3:2，f7:f5=4:3。在峰擬合過程中要遵循該規則。如Pb4f中同一價態的Pb4f7和Pb4f5峰面積比應為4:3。

B.對於有能級分裂的能級（p、d、f），分裂的兩個軌道間的距離也基本上是固定的。如同一價態的W4f7和W4f5之間的距離為2.15eV左右，Si2p3和Si2p1差值為1.1eV左右，具體化學狀態下能級分裂的兩個軌道之間的距離會有不同。

C.對於同一元素的裂分軌道而言，其半峰寬應該盡量接近一致。對於同一儀器及儀器參數，各數據的GL高斯－洛倫茲比應保持一致（一般直接採用默認值80）。

具體操作：以峰面積為例，peak 1和peak 0分別對應Pb 4f軌道的兩個裂分能級（對應f5和f7），那麼兩者之間的峰面積存在數量關係f7:f5=4:3. 如何設置？點擊Area下的Constraints,

在彈出的窗口中，勾上Use前的方框，然後構建關係式Peak 1=Peak 0*0.75. 然後點擊OK設置完畢。類似的Peak1 和Peak 0之間的Position間距也可以設置。

同樣的方式，可以添加peak 2和peak 3（為另一對峰），設置好它們之間的數量關係等。然後點擊Optimise All（可以多次點擊進行優化），得到一個初步的分峰結果。如下圖所示。

第五步：手動修正

在此基礎上，手動調節峰的面積，半峰寬等參數，儘可能讓擬合出來的數據和原始數據重合。在設置參數的過程中，請謹記上面所述A,B,C等分峰規則。

具體操作：分別點另一個窗口中的Rigion Peaks下方的0、1、2等可看每個峰的參數，此時XPS峰中變紅的為被選中的峰。在彈出來的參數窗口中調整峰位置，半峰寬，峰面積等參數，然後點擊accept。反覆調節，儘可能讓擬合出來的數據和原始數據重合。

第六步：擬合數據保存與導出

擬合完畢之後，點擊XPS peak processing 中的Save XPS，將擬合結果存儲為.xps文件。存儲之後，下回要繼續處理時，只需要點Open XPS就可以打開這副圖繼續進行處理了。

當擬合結果滿意了之後，需要將數據導出成txt文件，以方便在origin中作圖。

具體操作：在Region 1中，Data-->Export(Spectrum)，導出為.dat文件。該文件可以直接拖動到origin中，用origin打開。接下來就是origin作圖了，這裡就不重複了。

至此，XPS原始數據的處理就差不多了。

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