中国分析测试技术丛书--电子能谱分析

《电子能谱分析》是“中国分析测试技术丛书”的一个分册。
电子能谱技术是研究纳米材料表面态（如电子迁移、表面空位等）的常规表面化学分析方法，是在纳米尺度上研究材料表面粒子的化学态、几何排列、运动状态和电子态等表面性质，及其与表面宏观性质联系的最基础、最重要的技术手段。本书共分六个章节，重点围绕X射线光电子能谱（XPS）、俄歇电子能谱（AES）、紫外光电子能谱（UPS）、电子能谱法深度剖析、样品制备与数据要求等展开系统阐述。本书内容以全国表面化学分析标准化技术委员会（SAC/TC 608）制定的电子能谱相关国家标准为依据，重点介绍仪器概述、基本原理、仪器检定方法、仪器参数设定、数据解析技巧，以及样品制备技术、数据记录与报告规范等核心内容。
《电子能谱分析》可供从事仪器分析尤其是表面分析的科研人员，实验技术人员，高等院校教师和研究生以及高年级本科生阅读，也可供材料、化学、化工、生物、医药、电子信息、环境、农业等领域的分析工作者参考。

姚文清 清华大学正高级工程师，国家大型科学仪器中心-北京电子能谱中心副主任、清华大学分析中心能谱分析平台主管。担任国际标准化组织表面化学分析委员会（ISO/TC 201）联络员；全国表面化学分析标准化技术委员会（SAC/TC 608）副主任委员兼秘书长、电子能谱分技术委员会（SAC/TC 608/SC 2）主任委员，全国微束分析标准化技术委员会（SAC/TC 38）委员；中国分析测试协会常务理事、高校分析测试分会副主任委员。长期从事光催化材料表界面化学分析及电子能谱技术标准化研究。发表学术论文200余篇；入选英国皇家学会Top 1%高被引中国作者。授权专利4项；编写论著3部；制定国际标准1项、国家标准35项。获国家自然科学奖二等奖、中国标准创新贡献奖二等奖、中国分析测试协会科学技术奖一等奖等。

周小元 重庆大学教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金项目获得者。重庆大学分析测试中心主任，重庆大学量子材料与器件中心副主任，中国材料研究学会热电材料及应用分会第三届理事会常务理事，任Sci.China Mater.、Rare Metals及J.Anal.Test. 期刊编委。长期从事低维化新能源材料中的电、声输运关键科学问题研究。近五年发表SCI论文170余篇。获重庆市科学技术奖（自然科学奖）一等奖、国际热电学会青年科学家奖、中国分析测试协会科学技术奖一等奖。

王水菊 厦门大学教授级高级工程师。从事核材料科学和电子显微学分析研究工作。担任国际标准化组织表面化学分析委员会（ISO/TC 201）专家，全国表面化学分析标准化技术委员会（SAC/TC 608）委员。制定或修订国际标准8项、国家标准16项。

表面科学是研究表面结构、表面物理与表面化学的一门学科，旨在从原子、分子水平上探究两相界面（包括气固界面、气液界面、液液界面、液固界面、固固界面）的物理和化学现象。该学科涵盖表面特性、表/界面相互作用等基础理论与应用技术的研究，在材料科学、纳米技术、环境能源、生物医学等领域具有广泛且重要的应用价值。表面分析是对固体表面或两相界面上几个原子层厚的薄层进行组分、结构和能态等分析的材料物理试验，也是一种利用分析手段揭示材料表面形貌、成分、结构或状态的技术。表面分析主要包括表面分析方法与通用表征技术，在真空中通常检测固体最表层1～10nm的特性，表征仪器包括X射线光电子能谱（XPS）仪、俄歇电子能谱（AES）仪、紫外光电子能谱（UPS）仪、反光电子能谱（IPES）仪、电子能量损失谱（EELS）仪、离子散射谱（ISS）仪、二次离子质谱（SIMS）仪等。电子能谱技术作为表面分析方法中最具代表性的研究手段，在我国科研院所、高等院校以及工矿企业中有着广泛应用，为研究纳米材料表面态如电子迁移、表面空位等表面科学问题提供重要的数据支撑，是研究材料表面纳米尺度上粒子的化学态、几何排列、运动状态和电子态等表面性质及其与表面宏观性质联系的最基础、最重要的分析手段。
随着材料科学的持续发展与技术创新，我国电子能谱分析工作需紧跟国际相关前沿科学研究及实验技术标准化工作，进一步拓展相关科学技术的研究广度和深度。表面分析技术对新时代“四个面向”所涉及的科技、经济、国防、社会发展和民生等各个领域都具有非常重要的战略地位，是亟待全力攻坚的关键核心技术之一。目前，国内外虽有多部关于表面分析科学与电子能谱技术的书籍可供参阅，但这些书籍多侧重于基本原理与方法应用，缺乏从实验视角对谱仪分析技术的系统阐述。本书较全面地介绍了电子能谱的基本原理、实验技术及其最新进展，尤其聚焦表面化学分析相关国家标准，很好地弥补了此类书籍的不足。作为“中国分析测试技术丛书”分册之一，本书对促进分析测试技术学科的发展与创新、推动高水平科技自立自强具有重要的意义。
本书由清华大学姚文清正高级工程师牵头搭建编写框架并负责统稿，杨立平工程师协助统稿。本书内容基于编写团队35年来在表面化学领域的研究积累撰写而成，涵盖38项相关国家标准的核心内容。全书共分为六个章节，针对XPS、AES、UPS，着重对仪器基本原理、仪器校准与参数设定、数据解析技巧进行了介绍，同时对电子能谱涉及的深度分析、样品制备技术以及数据记录与报告的规范要求进行了阐述。第一章绪论，由姚文清正高级工程师主要撰写，重庆大学周小元教授和厦门大学王水菊教授级高级工程师协助电子能谱技术未来展望部分的撰写；第二章XPS，由中山大学谢方艳正高级实验师、中国科学技术大学麻茂生教授级高级工程师主要撰写，赛默飞世尔科技（中国）有限公司葛青亲博士协助XPS数据解析部分的撰写，贝克斯帝尔科技（北京）有限公司王珍博士协助近常压X射线光电子能谱（NAP-XPS）部分的撰写；第三章AES，由清华大学姚文清正高级工程师主要撰写，杨立平工程师协助仪器测量方法部分的撰写，爱发科费恩斯（南京）仪器有限公司鞠焕鑫博士协助AES数据解析部分的撰写；第四章UPS，由中国科学院化学研究所赵志娟高级工程师主要撰写；第五章电子能谱法深度剖析，由重庆大学周楷高级工程师主要撰写；第六章样品制备与数据要求，由广东工业大学严楷博士主要撰写。
本团队的研究工作得到科技部（国家重点基础研究发展计划、创新方法工作专项）、国家自然科学基金委员会（杰出青年科学基金、重点项目、仪器专项、面上项目）、国家标准化管理委员会国家标准制修订专项的支持。其研究成果获国家自然科学奖二等奖1项（2011年度），教育部自然科学奖一等奖2项（2017年度、2011年度）、二等奖1项（2008年度），国家标准化管理委员会中国标准创新贡献奖二等奖1项（2020年度），生态环境部环境保护科学技术奖三等奖1项（2015年度），重庆市自然科学一等奖1项（2020年度），中国分析测试协会科学技术奖一等奖3项（2020年度、2019年度、1995年度）、二等奖3项（2002年度、2000年度、1993年度）、三等奖1项（2001年度），国际热电学会青年科学家奖1项（2020年度），中国产学研合作促进会产学研合作创新奖“个人奖”1项（2018年度）。
感谢薛其坤院士和中国科学院大连化学物理研究所研究员、全国表面化学分析标准化技术委员会（SAC/TC 608）顾问委员盛世善老师对本书提出的宝贵意见和建议！感谢全国表面化学分析标准化技术委员会（SAC/TC 608）参与起草相关国家标准的委员们！感谢赛默飞世尔科技（中国）有限公司、贝克斯帝尔科技（北京）有限公司、爱发科费恩斯（南京）仪器有限公司对本书的支持！
限于著者的学识水平，书中可能出现不妥之处，敬请读者批评指正。

著者
2025年8月

第一章 绪论 001~016
第一节 概述	002
第二节 电子能谱的发展历史	005
第三节 电子能谱与表面分析的关系	007
第四节 电子能谱的应用	008
一、科研领域应用	009
二、工业生产、环境保护、生命科学等方面的应用	012
第五节 电子能谱技术的发展趋势	012
参考文献	014

第二章 X射线光电子能谱 017~130
第一节 概述	018
一、X射线光电子能谱的发展历史	018
二、X射线光电子能谱的特点	021
第二节 基本原理	025
一、原子能级及其表示	025
二、光电发射过程	027
三、电子结合能	029
四、化学位移	031
第三节 X射线光电子能谱仪	037
一、仪器分类	037
二、仪器结构	037
三、仪器检定与校准方法	048
四、仪器性能参数的选择	058
五、分析方法	059
六、荷电控制和校正	065
七、本底确定 	069
八、横向分辨测定	072
九、离子束对准及束流密度测量	076
第四节 X射线光电子能谱的解析	076
一、定性/定量分析	077
二、化学态分析	079
三、深度剖析	086
四、成像分析	092
五、线分析或多点分析	094
六、价带谱分析	095
第五节 X射线光电子能谱技术的最新进展	097
一、近常压X射线光电子能谱及最新进展	097
二、超高真空X射线光电子能谱及最新进展	112
参考文献	127

第三章 俄歇电子能谱 131~226
第一节 概述	132
一、俄歇电子能谱的历史	132
二、俄歇电子能谱的应用领域	134
三、俄歇电子能谱的发展趋势	140
第二节 基本原理	142
一、俄歇跃迁	142
二、俄歇电子的理论计算	143
三、俄歇谱信息	144
第三节 俄歇电子能谱仪	157
一、仪器基本结构	157
二、仪器性能参数的选择	160
三、仪器校准方法	163
第四节 俄歇电子能谱解析	195
一、定性/定量分析	195
二、深度剖析	211
三、化学态分析	213
四、俄歇电子能谱技术的应用	216
参考文献	222

第四章 紫外光电子能谱 227~302
第一节 概述	228
第二节 基本原理	229
一、气相紫外光电子能谱的基本能量关系及理论基础	230
二、固体紫外光电子能谱的基本能量关系及理论基础	240
第三节 紫外光电子能谱仪	251
一、仪器分类	251
二、仪器结构	255
三、仪器测量方法	263
第四节 紫外光电子能谱的应用	269
一、气相UPS谱的应用与解析	270
二、固体UPS谱的应用与解析	278
三、紫外光电子能谱技术的发展	295
参考文献	296

第五章 电子能谱法深度剖析 303~354
第一节 概述	304
第二节 溅射速率	305
一、溅射产额	305
二、溅射速率的影响因素	309
三、溅射速率的测量	320
第三节 溅射深度	329
一、电子能谱法	330
二、机械触针法	330
三、光学干涉法	331
四、参考物质法	332
第四节 界面分辨	333
一、影响深度分辨的因素	334
二、溅射区与分析区的对中	338
三、离子溅射参数优化	339
四、应用实例	341
参考文献	352

第六章 样品制备与数据要求 355~382
第一节 样品制备技术	356
一、分析前样品的处理	356
二、一般样品的制备技术	366
三、减少样品荷电的方法	371
四、断裂、解理和划刻处理	373
五、生物样品的制备技术	374
六、特殊样品的处理方法	376
第二节 数据记录与报告规范	376
一、记录与报告的规范要求	376
二、数据发送的规范要求	381
参考文献	381

索引 383~387