X射线光电子能谱仪的开放使用与维护*

张国宏， 熊祖钊， 王飞舟

(武汉科技大学分析测试中心，湖北 武汉 430081)

X射线光电子能谱仪(简称为XPS)可提供材料表面几个原子层的元素定性、半定量分析及其化学状态信息，可以分析除氢、氦以外的所有元素，包括元素种类及价态。因此，XPS已被广泛应用于研究金属、无机化合物、有机化合物、聚合物、催化剂、涂层材料、纳米材料、矿石等各种材料以及腐蚀、摩擦、润滑、燃烧、粘接、催化、包覆、氧化等过程，是研究材料表面性质所不可缺少的重要工具[1-3]。

武汉科技大学分析测试中心拥有一台日本岛津公司生产的型号为AXIS SUPRA+的X射线光电子能谱仪。随着校内科研队伍的迅猛发展，校外高校及企业测试需求的增加，测试量明显增大，如何提高仪器使用率，达到仪器资源共享，更好地服务广大科研工作者，是仪器管理者目前亟待解决的问题[4-5]。作者根据近年对XPS的管理经验，就XPS在开放使用及日常维护方面进行总结和探讨。

1 X射线光电子能谱仪开放使用

1.1 X射线光电子能谱仪管理现状

XPS是当前材料表面分析的重要工具，具有灵敏度高、破坏性小等特点。XPS 谱图不仅可提供材料表面元素组成信息，还能提供元素的化学状态信息。另外，因为入射到样品表面的X 射线是一种光子束，对样品的破坏性非常小。基于以上，XPS 在科学研究中的实际应用范围越来越广泛。XPS目前在我校材料与冶金学院、化学与化工学院、资源与环境工程学院、机械自动化学院、理学院、信息科学与工程学院等相关专业的教学与科研中都有非常广泛的应用。随着学校研究生招生规模的不断扩大，XPS的使用也愈加繁忙，之前由专门仪器管理人员对所有样品进行测试的方式已经满足不了实际应用需求。如何缓解XPS的使用压力，提高它的使用效率成为仪器管理人员必须面对的课题。

另一方面，XPS单价在500万元人民币左右，属于大型贵重仪器，具有价格昂贵、结构精密和操作复杂等特点，对操作者具有很高的技术要求，很小的误操作也可能导致仪器发生故障。如果盲目的开放，不对使用者进行严格培训和管理，会造成仪器损坏、老化加快、故障率增多等，实际上降低仪器有效使用率。

1.2 X射线光电子能谱仪分层次开放使用模式

针对分析测试中心测试样品多、任务重的现状，为最大程度满足校内师生XPS测试需求，同时保证仪器设备始终处于良好的使用状态。我们将严格的培训、严谨的技术管理和开放使用相结合，探索对XPS实行分层次开放使用模式(如图1所示)，根据用户测试需求的不同来划分其开放测试的政策。

图1 分层次开放流程图

1.2.1 初级用户

我们每学期都会面向所有有XPS测试需求的研究生、博士后和青年老师进行一次理论培训，介绍XPS的测试原理、基本功能、制样要求、数据处理软件的基本操作等，重点解决“XPS能做什么” “如何准备样品”“如何获得好的结果” “如何进行数据处理”等实际问题，培训合格后成为初级用户。初级用户可以通过分析测试中心预约系统预约测试机时，在预约时间内将样品送到实验室，由专职的XPS管理老师负责测试，老师测试完毕后会将测试结果发送给用户。初级用户仅能送样测试，不能上机操作。

初级用户在送样时要注意写明分析测试的要求，如定性(元素种类，元素价态等)，定量(样品中元素相对百分含量)等。如果样品有易磁化，易变性(如被氧化，吸附等)等情况应说明清楚。对薄膜、片状、块体样品要标记出测试面，标记时不能使用墨水笔，以免墨水中的有机试剂污染待测样品表面。粉末样品必须研磨均匀，颗粒越细越好。易被氧化或易吸水样品，在送样过程中应注意隔离空气。

1.2.2 中级用户

有些课题组测试量较大，光靠仪器管理老师无法及时完成测试任务。针对每月有10 次以上测试量的课题组，由课题组推荐一名有责任心、有耐心且动手能力强的研究生进行上机操作等深入培训，培训内容包括制样方法、常规XPS测试操作、数据处理软件使用、仪器使用安全注意事项和实验室的安全卫生制度等。经过系统培训，考核合格，可熟练操作仪器进行基础测试的研究生成为中级用户。中心将给中级用户颁发XPS自主上机操作资格证。中级用户可以在工作日(包括晚上)自主操作仪器进行常规XPS测试。中级用户除了测试自己的样品外，还需要帮助课题组其他同学进行测试。除了研究生以外，所有的博士后和青年教师都可以申请参加培训成为中级用户。为了保证设备安全，要求中级用户每月至少要进行一次上机操作，连续三个月未进行上机操作的中级用户将被取消自主上机操作资格。

1.2.3 高级用户

无过错使用仪器达一年以上的中级用户可申请进行高级应用培训，目的是服务高级应用。高级应用培训内容包括变角XPS、深度剖析、紫外光电子能谱等的操作以及XPS运行日志的记录、常见仪器故障的简单分析及日常维护等，以使高级用户能够完全独立操作XPS。中心将给考核合格的高级用户颁发XPS高级应用上机操作资格证。高级用户可以在任意机时段(含节假日)自主上机操作仪器进行测试。高级用户每月至少要进行一次上机操作，一个月未进行上机操作的高级用户将被取消自主上机操作资格。高级用户主要针对校内青年教师、博士后和博士研究生进行选拔。

这种分层次开放使用模式将严格培训考核和分权限开放使用相结合，不仅培养了人才，还可使XPS的开放测试由原来的工作日扩展到晚上、周末及节假日，最大限度满足了用户测试需求。

2 X射线光电子能谱仪的维护

良好的仪器状态是获得精确测试数据的前提和保证，因此作为一名测试技术人员，有必要对仪器进行定期维护。正确的使用和良好的维护不仅可以确保仪器始终保持良好的运行状态，还可以延长仪器使用寿命，节约维修费用[5]。

2.1 日常维护

维持良好的实验室环境，每周吸尘、拖地、擦拭仪器表面和实验台，控制实验室温度在17～25 ℃，湿度<65%，在实验室门口增加吸尘纸，进入实验室穿鞋套。

每天早晨对设备进行点检，记录高纯氮气、普通氮气(有的使用压缩空气)压力以及测样室和进样室的真空，关注空调、水冷机等是否正常工作。

定期对仪器进行校准。包括结合能标的校准、强度标重复性和线性、荷电校正等[6]。

2.2 真空系统的维护

XPS是一种表面分析仪器，要求在超高真空(通常为1×10-7Pa)条件下进行测试，因此，超高真空系统的保持和维护非常重要。

首先要确保样品的干净，具有放射性的样品、具有强磁性的样品、在X光照射下会分解的样品、在制样过程中容易快速潮解的样品、真空条件下可以释放大量气体的样品(尤其释放出的气体对不锈钢具有腐蚀性的样品)、具有化学毒性和生物毒性的样品都不得测试。样品中不得含有乙酸乙酯、氯仿、二氯甲烷、苯、环己烷等有机试剂, 待测试的样品表面不能被沾污(如手摸拿，碰触污染物等)。最好用带盖的玻璃小试管、小容量瓶等容器装样，也可以使用干净的铝箔直接包裹样品后放入干净的玻璃器皿中送样。不要直接使用塑料容器、塑料袋、含硅的胶带或胶面和纸袋，以免硅树脂或纤维污染样品表面。

其次，所有样品在送样之前必须提前进行真空干燥或者冷冻干燥，送入进样室后要充分抽气。我们通常都是在下午下班前将第二天要测试的样品送入进样室抽真空，第二天上班的时候再进行测试。如果经过一夜抽真空后依然无法抽至5×10-6Pa以下，该样品的测试应该被取消。

最后，尽量减少换样时间。可以订制一些70 mm×30 mm×1 mm的铜片，提前将需要测试的样品用双面胶粘在铜片上，换样时直接用导电胶将铜片粘在样品台上，既减少了换样间隔时间，也可以保护样品台。平时还要保持进样室门的清洁，定期运行钛升华泵以吸附影响真空的反应气体。每年请工程师对机械泵进行耗材更换和保养。

2.3 循环水系统的维护

循环水的作用是将系统内部包括分子泵、X射线源、晶体、磁透镜的热量散发出去[5]。注意关注冷却水的漏电流和电导率，漏电流高于10 mA或电导率大于1 μs/cm则需要更换循环水，循环水不能使用自来水，建议使用实验室纯水机制的去离子水或购买蒸馏水。如果更换循环水后，电导率还偏大时，要更换滤芯和水冷机后的去离子树脂。水冷机的滤网要经常清洗。

2.4 气路系统的维护

XPS气路系统包括普氮(或压缩空气)、高纯氮、氩气和氦气。氩气用于Ar离子枪刻蚀，氦气用于紫外光电子能谱测试，高纯氮气用于开进样室仓门，普氮是驱动所有气动阀门的动力，需维持0.4 MPa以上，压力太小，进样室和测样室之间的门无法正常开启。当普氮压力较低时，仪器将自动进入保护状态，这时需要及时更换普氮钢瓶。氩气和氦气不经常用，平时可将总阀关闭，使用时再打开。使用氩气和氦气时，要先清洗气路。

3 结 论

X射线光电子能谱仪是高校分析测试中心必备仪器之一，样品测试任务重。为了提高仪器使用效益，很好的完成测试任务，我们尝试对XPS实行分层次开放使用模式，收到了良好的效果。另外，测试技术人员需要对仪器真空系统、循环水系统、气路系统进行定期维护，确保仪器始终保持良好的运行状态。