ICS 71.040.40 G 04
C
中华人民共和国国家标准化指导性技术文件
GB/Z32490—2016/ISO/TR18392:2005
表面化学分析 X射线光电子能谱
确定本底的程序
Surface chemical analysisX-ray photoelectron spectroscopy-
Proceduresfordeterminingbackgrounds
（ISO/TR18392:2005,IDT）
2016-02-24发布
2017-01-01实施
中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局
中国国家标准化管理委员会 发布 GB/Z32490—2016/ISO/TR18392:2005
目 次
前言引言 1 范围 2 术语和定义 3 缩略语
IV
XPS中本底的类型 5 电子能谱图中X射线卫星峰的扣除 6 电子能谱图中非弹性电子散射的估算与扣除 6.1概述 6.2解析非弹性电子散射的程序 6.3 解析非弹性和弹性散射的程序 6.4不常用的程序 6.5表面和内壳层空穴效应在确定本底中的作用 6.6确定非均匀材料的本底扣除电子能谱中非弹性散射效应的方法比较参考文献
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7 GB/Z32490—2016/IS0/TR18392:2005
前言
本指导性技术文件按照GB/T1.1一2009给出的规则起草本指导性技术文件使用翻译法等同采用ISO/TR18932：2005《表面化学分析 斤X射线光电子能
谱 确定本底的程序》。
本指导性技术文件由全国微束分析标准化技术委员会(SAC/TC38)提出并归口。 本指导性技术文件负责起草单位：清华大学、中山大学。 本指导性技术文件主要起草人：李展平、陈建、姚文清、谢方艳、曹立礼、朱永法。
E GB/Z32490—2016/IS0/TR18392:2005
引言
本指导性技术文件提供了确定X射线光电子能谱（XPS)本底的指南。本指导性技术文件所描述的确定本底方法适用于X射线从固体表面和表面纳米结构中激发的光电子及俄歇电子能谱的定量评估。
X射线光电子能谱中本底确定的应用基于以下需求：(1)表面和界面层以及纳米结构的化学成分信息（包括随深度变化的成分）的准确定量；（2)准确确定各种表面组分的化学状态；（3)从光电子能谱中获取固体的电子结构信息。本征谱是由XPS中感兴趣的X射线辐照产生的光电离或光激发以及俄歇电子衰减过程产生的，并需要进一步分析，因此将谱图中的本征部分与由其他过程产生的谱(本底)分离开来是必要的。广泛使用于XPS本底扣除的程序在文献[1-4已有详细的综述。本指导性技术文件总结了最常用的程序及应用，包括(i)商业软件提供和使用的，（ii)先进实验室提供和使用的，（ii)个别实验室为深人理解XPS谱中有关过程使用的。
V GB/Z32490—2016/ISO/TR18392:2005
表面化学分析X射线光电子能谱
确定本底的程序
1范围
本指导性技术文件给出了确定X射线光电子能谱中本底的指南。本指导性技术文件适用于固体表面X射线激发的光电子和俄歇电子能谱的本底确定。
2 术语和定义
ISO18115界定的术语和定义适用于本文件[5]。
3缩略语
下列缩略语适用本文件。
俄歇电子能谱（Augerelectronspectroscopy）分强度分析（Partialintensityanalysis）
AES PIA QUASESTM 电子能谱的表面定量分析（Quantitativeanalysisofsurfacesbyelectronspectroscopy） REELS
反射电子能量损失谱（Reflectionelectronenergylossspectroscopy） X射线光电子能谱(X-rayphotoelectronspectroscopy)
XPS
4XPS中本底的类型
X射线照射表面激发的电子是由一次光电离过程产生的光电子或者芯能级空穴的衰减过程引起的俄歇电子。样品中的非弹性散射电子、二次电子级联碰撞以及在非单色X射线照射下由X射线伴线和韧致辐射激发的光电子均对谱（即电子能量分布)有贡献，构成了本底。在实际XPS中，通常没有必要确定在低能端的二次电子级联碰撞的本底。
本指导性技术文件第5章描述了扣除卫星峰的方法，第6章描述了扣除非弹性电子散射方法，第7章简单比较了从电子能谱图中扣除非弹性电子散射效应各种程序的使用效果。
注1：在某些情况下，本征部分的强度由“无损失”的主峰和与产生芯能级空穴相联系的各种电子激发构成。有时把
后者的本征贡献表述为本征本底”。鉴别各种本征损失峰和测量它们的强度对XPS的定量应用是重要的
注2：由噪声引起的分析信号随时间的波动会导致信号强度的不确定性。本指导性技术文件所讨论的本底类型不
包括噪声对强度的贡献，
5电子能谱图中X射线卫星峰的扣除
非单色化的X射线源具有与主X射线（通常是A1或MgKα辐照)相关的固定伴线结构，这些伴线导致了在XPS谱图中出现相应的卫星峰，
对于选定的使用Al或MgX射线源测得的光电子峰，根据Kα3.4、Kβ等X射线伴线与Ka1.2主峰之间的能量差以及它们的强度比在高动能侧扣除卫星峰的贡献。这样，X射线伴线激发的光电子卫星峰可以按比例扣除。采用同样的方法依次扣除与其他光电子峰相关的卫星峰。如果将俄歇峰误认为光
A GB/Z32490—2016/ISO/TR18392:2005
电子峰，用这种方法也会错误地扣除与俄歇峰相对应的强度。
6电子能谱图中非弹性电子散射的估算与扣除
6.1概述
已制定各种程序用于将所测光电子能谱中的本征部分与非弹性散射电子[1-4]的贡献区分开来。 这些程序（包括第5章程序)通常用来处理采集得到的XPS数据，且需要有数字化采集和处理能力。
在仪器效应引起的谱图形状失真不能忽略的情况下，应用程序扣除非弹性电子散射之前，通常应该用谱仪响应函数来修正测得的谱图[7,8。为了扣除谱图中的非弹性电子散射，可以采用两种不同的策略：(1)从谱图中扣除非弹性电子散射的贡献；（2)用包含本底的模型函数拟合谱图。电子散射的贡献可认为是全谱的本底，或者是各光电子峰拖尾的叠加9.10]。对本底扣除而言，本底参数固定，且产生的本底可以从被测的谱图中扣除。在本底拟合过程中允许改变某些或者全部本底参数。
注：这里描述的从谱图中扣除非弹性电子散射贡献的方法也许不能用于XPS的一些特殊应用（例如：全反射XPS
或者俄歇-光电子共生谱）。
6.2解析非弹性电子散射的程序 6.2.1引言
即使在样品非常薄的情况下，在能谱中也会有相当一部分电子受到非弹性散射；所以，非弹性电子散射引起的本底估算对定量分析非常重要。以下简要介绍扣除非弹性效应的常用程序。 6.2.2线性本底的估算及扣除
在这一个广为应用方法中，任意挑选谱图中的两个点并通过直线连接它们来近似表示真正本底。 通常所挑选的这两点位于峰的两边。所选点的强度值可以是该点相应能量上的强度值，或者是所选点邻近小能量范围内的平均值。图1为Cu2p3/2XPS谱图的线性本底[11]。对于绝缘样品，这是最常用的方法，图中的直线是水平的。这种方法用在聚合物的谱峰拟合上非常成功。但是，对于过渡金属（例如， Fe2p)谱峰，采用线性本底在计算谱峰面积时会导致很大的系统误差。
A
（）
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结合能/eV
图1Cu2ps/2XPS谱图的线性本底及其扣除举例（上部曲线是实测谱图和线性本底，
下部曲线是扣除本底后的谱图）
2 GB/Z32490—2016/ISO/TR18392:2005
6.2.3积分本底的扣除
Shirley提出的这种广泛使用的方法[12,13]采用一种数学算法近似处理固体中逃逸电子的非弹性散射。这一算法假设本底正比于本底上高动能侧的谱峰面积。该方法已被改进以优化所需的迭代[14、提供倾斜的非弹性本底[15]、提供基于弹性背散射电子损失谱形状的本底[16]，还包括绝缘体的带隙[2] 图2表示为图1所示Cu2p3/2XPS谱图的Shirley本底或积分本底[1]以及扣除本底后的谱图。应该强调的是，该方法的正确使用需要应用有效的算法和合适的选代限14]。
（）
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结合能/eV
图2Cu2p3/2XPS谱图的积分本底及其扣除举例（上部曲线是实测谱图和积分本底，
下部曲线是扣除本底后的谱图）
6.2.4基于电子非弹性散射截面的本底扣除
Tougaard提出的这种常用方法[4]采用基于样品内发生的非弹性散射过程的算法。这一算法需要样品中信号电子的非弹性散射截面。该散射截面能从反射电子能量损失谱中得到[4.17]；或者从一个简单的近似公式得到，即普适截面[4]。这一普适截面能够成功用于多种固体，对于一些特定种类的材料（例如，聚合物、Si、A1等固体)可使用更精确简单的公式[18)。在估算非弹性本底的算法中，普适截面公式的参数可以改变[19]。图3为Au4p、4d谱图、Tougaard本底和扣除本底后的谱图[20]。
（）
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200
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560
结合能/eV
图3Au4p、4dXPS谱图的Tougaard本底及其扣除举例（上部曲线是实测谱图和Tougaard本底，
下部曲线是扣除本底后的谱图）
3 GB/Z32490—2016/ISO/TR183922005
6.3解析非弹性和弹性散射的程序
产生本底的是光电子的非弹性散射。然而，信号电子的弹性散射会影响它们的轨迹，对本底有间接的影响，该影响可能很大。对于均匀固体来说，该影响已有详尽描述21]。
在光诱导电子能谱里，模拟散射效应的一个有用方法是按照参与给定次数的非弹性碰撞电子的分强度来描述谱的形状[22)。这一称作分强度分析(PIA)的方法假设散射电子的弹性偏转与能量损失无关，可以分开考虑，不必知道分析器的传输函数。
另一种方法是光诱导电子能谱的MonteCarlo模拟，尽管它不常用于解释散射效应（因为它的计算要求更高并且不实用）。该模拟方法要用到各种模型和数据集，它们涉及与材料相关的能量损失函数、 非弹性散射平均自由程及弹性散射的微分截面[23]。 6.4不常用的程序
根据非弹性散射电子谱的形状以及光电子谱相应的损失谱来退卷积光激发电子能谱（一般这些非弹性散射电子的初始能量与光激发电子能谱中主峰的相同)同样可以用于本底扣除24,25]，尽管在这此情况下有可能过分强调表面损失特征。考虑到反射电子能量损失谱（REELS)中弹性散截面与角度有关[25.27，有时需要优化相对弹性峰的损失峰强度。退卷积通常可用傅里叶变换或迭代技术来完成[24,25]。
为扣除低能二次电子级联散射形成的本底，Sickafus[28,29]提出了用测量光谱强度的对数作为电子能量对数的函数的方法。另外，可以利用一种平滑曲线算法[301获得两个选定的能谱区域之间的无结构本底，该本底接着可从在中间能量的测量谱中扣除。 6.5表面和内壳层空穴效应在确定本底中的作用
表面激发能很大地影响能量损失谱的形状，其结果也能很大地影响本底。用从实验的REELS谱导出的非弹性散射截面的用于确定本底的方法某种程度上能说明表面效应；但是，应该注意这些效应的大小很强地依赖于电子在样品表面的出射角和电子能量。甚至在利用普适的非弹性散射截面的情况下，通过改变公式中适当的参数，可明确地说明表面激发效应[31]。表面粗糙度的影响同样可以很大，特别是在近掠出射角分析时或者要用表面粗糙度与所分析样品不同的标样进行分析的情况下。
光电离过程产生的内壳层空穴能导致本征激发诱导谱中出现损失结构，并且这些损失结构可能依赖于电离原子的化学环境。虽然基于非弹性散射截面扣除本底的方法仅模拟本底的非本证部分，但 Shirley本底扣除了来源于本征和非本征的大部分贡献。本征过程的贡献可以用Castle和Salvi所建议的形状参数(通过外推本底到谱峰的中心和除以谱峰面积得到归一化的“本底高度”)来估算[32,33]。形状参数反映了给定元素的或其特定化学状态的特征[32,33]。 6.6确定非均匀材料的本底
在非均匀材料的情形下，对于特定的XPS实验配置，明显不同的原子浓度分布（例如，深度分布)会导致相同强度的光子诱导峰[4]。Tougaard已提出确定非均匀体系非弹性本底的公式[34-36]。Tougaard 表明对元素光电子或俄歇电子峰的非弹性谱形状的分析可获取该元素在样品中的浓度分布，即深度浓度分布和在纳米尺度上的表面形貌[22.37-45]。一种用于表面纳米结构定量表征的非破坏性方法是基于描述深度原子浓度分布和Tougaard普适非弹性散射截面的可调函数；也可以用已知浓度析标准样品的参考谱图，例如只含单一元素深度分布的固体。该方法既适用于通过调整剖面分布函数得到本征即本底扣除后的原子激发谱，也适用于利用分析参考谱图得知的原子谱图来确定成分分布。该方法的准确性和其他细节见参考文献C4，可用电子能谱定量分析软件对谱图分析，如QUASESTM（Quantitative AnalysisofSurfacesbyElectronSpectrocopy)[4。通过研究硅表面上金属薄膜生长和深度成分分布、
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