XPS 数据处理软件 Avantage 的应用

目前 XPS 是应用非常广泛的的一种表面分析技术，其原理基于光电效应，当一束特定能量的X射线照射到固体样品上时，便可将原子中的内层电子激发出来，激发出的光电子动能被能量检测器检测分析，通过能量守恒方程即可求得样品中该电子对应的结合能。

在表面分析研究中，通常我们不仅需要确定样品的元素种类及其化学环境，还需要求出其对应含量。然而在定量求取过程中，常常会遇到谱峰重叠的现象，Avantage 软件可以方便快捷的进行数据分析，发挥仪器软件的特长挖掘更多真实的样品信息。

Avantage 软件为美国 ThermoFisher Scientific 公司自主研发的一款专门处理 XPS 数据的软件，具有一键式荷电校准、谱峰识别（全扫谱图的自动识峰、高分辨窄扫谱图的手动识峰）、分峰拟合（单峰拟合、双峰拟合及非线性最小二乘法拟合）等多种功能。

下图 (a) 为原始的 XPS 全扫谱图，通过该谱图中可以人工判定样品表面所含有的元素，此外还可以通过 Avantage 软件自带的全谱自动识峰功能进行元素种类判定。

具体方法为：

（1）选中要分析的全扫谱图；

（2）点击” 全谱自动识峰” 图标，

即可获得样品中所含元素谱图，如图 (b) 所示。注：当样品中可能含有某种元素，软件不能确定是否有特定元素存在时，在自动识峰过程中会以” ? “的形式进行标注。

(a) 未处理的全扫谱图；(b) 自动识别的全扫谱图

在利用高分辨窄扫谱图进行定性定量判定时，首先需要注意的是各元素间是否存在谱峰重叠（由于元素出峰会有多个能级轨道同时出峰，因此有可能会出现元素间的谱峰重叠）。

具体方法为：

（1）选中要分析的高分辨窄扫谱图；

（2）点击”高分辨窄扫谱图手动识峰” 图标，

即可获得样品中在该区域与该元素产生谱峰重叠的其他元素，点击指定元素，则在谱图中会显示其大致出峰位置（图中样品既含有 C 同时又含有 K 元素，且 C1s 与 K2p 存在谱峰重叠），如图 (b) 所示。

(a) 未处理的全扫谱图；(b) 自动识别的窄扫谱图

此时对元素或化学态对应元素进行定量时，需要将其他元素的贡献去掉，Avantage 带有的分峰拟合功能可以很好地解决这个问题。

由于 S 轨道谱峰通常为单峰结构，因此一种化学态对应一个单峰结构，通过谱峰峰位的确认、对样品的了解、对其他元素谱图的统一判定以及参考文献或参考数据库的查阅，即可获得特定元素可能对应的化学态信息。

(a) 未处理的全扫谱图；(b) 拟合后的窄扫谱图

上图 (a) 为原始的 C1s 谱图，通过对样品的了解以及谱图峰形的判定确定 C 元素主要有 3 个化学态下的 C 元素，因此需要加三个单峰。

具体方法为：

（1）选中要分析的窄扫谱图；

（2）点击“分峰拟合”图标，

点击添加单峰（直到添加三个谱峰），同时在“Peak Fit”菜单里面可以进行拟合参数的优化，拟合参数优化界面如下图所示（一般将半高宽设定在 0.5~2eV 之间，且同一样品同一元素在同一能级轨道上不同化学态下的半高宽相差不大） ，最终得到拟合结果如 (b) 所示。

分峰拟合参数优化界面

由于 p、d、f 轨道谱峰为双峰结构，因此一种化学态对应一对峰结构，通过谱峰峰位的确认、对样品的了解、对其他元素谱图的统一判定以及参考文献或参考数据库的查阅，即可获得特定元素可能对应的化学态信息。

(a) 未处理的全扫谱图；(b) 拟合后的窄扫谱图

图 (a) 为原始的 Cl2p 谱图，通过对样品的了解以及谱图峰形的判定确定 Cl 元素主要表现出一种化学态，因此需要加一组双峰。

具体方法为：

（1）选中要分析的窄扫谱图；

（2）点击“分峰 拟合”图标，

点击添加双峰（一对谱峰会自动加上，且两峰间峰位、峰高及半高宽均有明确关系），同时在” Peak Fit” 菜单里面可以进行拟合参数的优化，拟合参数优化界面如图所示（一般将半高宽设定在 0.5~2eV 之间），最终得到拟合结果如图 (b) 所示。

分峰拟合参数优化界面

当然在实际样品数据分析过程中有可能存在单峰谱图（s 轨道谱图）和双峰谱图（p/d/f 轨道谱图）的谱峰重叠，此时根据实际情况选择添加单峰/双峰的个数、确定峰位以及数据拟合参数的优化等等。

实际样品数据分析过程中往往还会遇到俄歇谱峰和 XPS 谱峰产生谱峰重叠，或者一些 p、d、f  轨道上非对称的谱峰同时存在多种化学态需要对各化学态进行判定时，采用双峰拟合拟合效果不能很好满足要求，此时采用非线性最小二乘法即可得到满意的数据分析结果。

(a) XPS 谱峰与俄歇谱峰的谱峰重叠；(b) 非对称谱峰化学态的谱峰重叠

图 (a) 为同时含有 Ca 元素和 Mg 元素的 Ca2p 谱图，此时 Mg 的俄歇谱峰与 Ca 的 2p 谱峰产生了谱峰重叠。为得到更加精确的 Ca 元素的相对定量结果，需要将 Mg 元素的贡献去掉。

具体方法为：

（1）找出含有 Mg 元素但不含 Ca 元素的样品以及含有 Ca 元素但不含 Mg 元素的样品，从而获得 MgKL4 的谱峰以及 Ca2p 谱峰；

（2）选中要分析的窄扫谱图；

（3）点击”NLLSF 拟合” 图标，

分别选中 MgKL4 谱峰以及 Ca2p 谱峰并点击添加（注：此时背底扣除方法应选为“Linear”），最终得到拟合结果如图 (a) 所示。同样对于不对称谱峰但有多种化学态形式存在的元素，通过 NLLSF 也可以得到各化学态下很好的分峰效果，如图 (b) 所示。