PHI CHINA的AES儀器產(chǎn)品，在過去一年為用戶帶來卓 越的科學(xué)研究體驗(yàn)，而高質(zhì)量的科研出版物正是科學(xué)進(jìn)步、理解和交流的基石。

回顧 2021 年，PHI AES，包括PHI 710和 PHI 4700儀器，在支持科學(xué)研究方面產(chǎn)生了積極的影響，PHI AES儀器為1300多篇學(xué)術(shù)出版物提供了關(guān)鍵科學(xué)數(shù)據(jù)，其中許多成果發(fā)表在高影響力期刊（Nature和Science）。

PHI AES儀器主要用于研究大量具有高科技特性和重大研究價(jià)值的新型材料：如基于鈣鈦礦1、砷化鎵2和硅3 的太陽能電池；假肢和醫(yī)療植入物4-6 ; 二維量子材料7 ; 用于燃料電池、水分解、能量儲存8-9和有機(jī)微污染物去除10 的新型催化劑；發(fā)光二極管11-12；熱電材料13 ; 金屬合金的深海摩擦腐蝕14 ; 核電站和水冷反應(yīng)堆的低碳鋼材料15; 不銹鋼點(diǎn)腐蝕16 ; 增材制造17 ; 鋰離子電池18-19 ; 以及全固態(tài)電池20。

其中一個例子是在《Nature Communications》上發(fā)表的一篇由華東理工大學(xué)工業(yè)廢水無害化與資源化國家工程研究中心的研究成果，為當(dāng)前“雙碳”目標(biāo)下生物質(zhì)等原料的高原子經(jīng)濟(jì)性轉(zhuǎn)化利用提供了有效的參考。這項(xiàng)工作篩選多種天然礦物和實(shí)際礦粉，由此發(fā)掘Fe-Mn的多級賦存形態(tài)對氧化自由基的發(fā)生與調(diào)控至關(guān)重要，并進(jìn)一步設(shè)計(jì)優(yōu)化了MnO2和針鐵礦混合的軟錳礦物理混合針鐵礦復(fù)合催化劑，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)物乙醇酸（GA）和甲酸（FA）的高產(chǎn)率協(xié)同制備。整個催化體系也表現(xiàn)出了高度的穩(wěn)定性，展現(xiàn)了優(yōu)異的實(shí)際應(yīng)用前景，完善了生物基聚乙醇酸產(chǎn)業(yè)鏈上一環(huán)，提供了雙碳背景下煤基-生物基新材料產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新的可行性。在本項(xiàng)目研究中通過使用 PHI AES 710掃描俄歇納米探針，科學(xué)家們對新鮮的Mn基催化劑和反應(yīng)后的催化劑表面獲得了Mn元素空間分辨影像，幫助闡明了催化劑氧化的機(jī)制（圖1）。PHI AES 710儀器所具備的高空間分辨(<8 nm) 元素影像功能能夠?qū)Σ牧系男蚊埠捅砻嬖胤植继峁┏錾目梢暬Ч?/p>

圖 1. 新鮮（底部）和反應(yīng)后（頂部）MnO2 /Goe催化劑AES的SEM影像和Mn元素俄歇影像。

另一例子是發(fā)表在《NPG Asia Materials》的論文，由東京工業(yè)大學(xué)和格拉斯哥大學(xué)的研究者22利用 PHI AES 710儀器研究了鐵基超導(dǎo)體。在這項(xiàng)工作中，通過俄歇深度剖析探測了Fe-pnictide異質(zhì)結(jié)構(gòu)層狀材料的界面化學(xué)性質(zhì)。俄歇深度剖析結(jié)果顯示了在未摻雜和Co2+替代的情況下，存在光滑和干凈的界面，以及在沉積過程中過量O 2-存在的情況下形成的界面層（圖2）。對這些極薄層進(jìn)行精確深度剖析的結(jié)果體現(xiàn)了PHI AES 710優(yōu)異的深度分辨能力。

圖2. STEM 圖像: a. 干凈的、未摻雜Sm-1111/Ba-122的界面、b. 干凈的，Co 2+ -取代La-1111/Ba-122的界面、c. Sm-1111/Ba-122中的界面層 (IFL)（過量的O 2–）；AES深度剖析: d. 未摻雜Sm-1111/Ba-122、e. Co 2+ -取代La-1111/Ba-122，和f. Sm-1111/Ba-122中的界面層 (IFL)（過量的O 2–）。

物質(zhì)按照其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其在外磁場中的性狀可分為強(qiáng)磁性（順磁性、抗磁性）、弱磁性（鐵磁性、亞鐵磁性）和反鐵磁性物質(zhì)，其中強(qiáng)磁性物質(zhì)可作為磁性材料。磁性材料是存儲器件、永磁體、變壓器鐵芯、磁機(jī)械設(shè)備、磁電子器件、磁光器件等中最重要的部件，其分類如圖所示。眾所周知，在稀土中，磁性來源于部分填充4 f殼電子，由于這些電子定位良好，它們的磁矩很大。此外，我們常遇到的過渡金屬也是弱磁性或非磁性的，但過渡金屬和稀土的化合物通常會產(chǎn)生非常有趣的磁性和相關(guān)性質(zhì)，這類化合物在應(yīng)用磁性材料家族中同樣占據(jù)了主導(dǎo)地位。簡言之，磁性材料包含了所有的稀土元素和過渡金屬Sc、Ti、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Ru、Rh、Pd、Ag、Os、Ir、Pt、Au，以及p區(qū)元素Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、As、Sb和Bi等^{[1, 2]}。

         隨著磁性材料對人們的工業(yè)生產(chǎn)和日常生活的影響越來越大，磁性及磁性材料領(lǐng)域的研究也日益漸增。那么光電子能譜（XPS）作為一種被廣泛使用于的研究表面化學(xué)成分和化學(xué)狀態(tài)的技術(shù)，能否對磁性材料進(jìn)行表征呢？

         磁性材料在做XPS表征時(shí)往往會遇到以下問題：①磁性樣品自身的磁場會干擾出射光電子的運(yùn)動軌跡，引起的譜峰位移和峰形畸變，導(dǎo)致XPS對磁性材料的定性和定量表征不具備準(zhǔn)確性；②某些商業(yè)化XPS設(shè)備使用的磁透鏡會對磁性樣品的產(chǎn)生很大影響，例如磁透鏡容易將樣品磁化，甚至存在發(fā)生樣品飛出或損壞設(shè)備等風(fēng)險(xiǎn)；③關(guān)閉磁透鏡，通過靜電模式進(jìn)行測樣，導(dǎo)致儀器的靈敏度會降低，使得測試結(jié)果不理想。久而久之，“談磁色變”深入人心，甚至導(dǎo)致測試中心拒絕測試可能含磁性元素的樣品。

          這時(shí)或許有人就會問了，我怎么知道我的樣品到底有沒有磁性？能不能做XPS測試？

          嚴(yán)格意義上，相對磁導(dǎo)率 μr > 1 或相對磁化率 χm > 0，可以認(rèn)為樣品具有磁性。對于XPS測試中磁性樣品的問題，首先大家要注意的是，要根據(jù)所使用的XPS設(shè)備類型進(jìn)行判斷磁性：

（1）如果使用的是磁透鏡類型XPS，因?yàn)榇磐哥R會誘導(dǎo)樣品磁疇規(guī)則排列而表現(xiàn)出磁性，所以建議使用磁鐵去吸樣品的方法判斷磁性，如果樣品被磁鐵吸起則表明具有磁性；

（2）如果是沒有磁透鏡類型XPS，建議用無磁性的鐵類物體(如曲別針或大頭針)去靠近待測樣品來判斷樣品是否具有磁性，如果待測樣品被吸到曲別針上表明具有磁性，反之沒有磁性。或者將被測樣品分別靠近靜止的指南針的兩極，若發(fā)現(xiàn)有一端發(fā)生排斥現(xiàn)象，則說明該樣品具有磁性。

         通過以上方法，如果樣品沒有展示出磁性，則XPS可以直接測試；如果樣品展示出磁性，則需要消磁處理后進(jìn)行XPS測試。消磁的原理：樣品有磁性時(shí)，它的磁疇是有規(guī)律排布的，消磁的目的就是將樣品中有規(guī)律排列的磁疇打亂，樣品的磁性就會被消除（如下圖所示）。因此，可以通過對樣品進(jìn)行加熱、反復(fù)敲擊或外加交變磁場等方式來使內(nèi)部磁疇錯亂來消磁。

          對強(qiáng)磁性的永磁材料可以采用熱退磁方法，將磁體加熱到居里溫度以上100攝氏度，并保溫超過半個小時(shí)以上，使磁性完全消除。對表現(xiàn)出弱磁性的樣品，可以采用消磁線圈或退磁器退磁，如下圖所示，將樣品沿消磁線圈軸向往復(fù)移動多次即可消磁。

          PHI XPS采用無磁透鏡類型，沒有外來磁場干擾樣品，所以可按照上面所說的采用曲別針或大頭針以及指南針去判斷磁性。

（1）對未磁化或未充磁的物質(zhì)（例如含F(xiàn)e/Co/Ni粉末），可以直接測試；

（2）對于弱磁性樣品，采用消磁線圈處理即可；

（3）對強(qiáng)磁性的永磁材料可以采用熱退磁方法。

       如此一來，借助PHI的XPS做磁性樣品的表征還不是小菜一碟。

例如，飛秒激光器上的單晶材料CaGdAlO4（CGA）及其Yb（5%）摻雜后的樣品均具有順磁性，通過XPS（全譜見下圖）可獲取器件不同位置表面的組分信息^[3]。

Yb（5%）摻雜的CGA的XPS譜^[3]

        再比如，在研究稀土氧化物陶瓷的疏水性時(shí)，利用PHI的XPS探究樣品表面的元素組成。下圖分別為典型稀土氧化物樣品的全譜，可以發(fā)現(xiàn)譜圖的信噪比良好，通過軟件分析后獲得樣品表面的化學(xué)組成?？梢姡肞HI-XPS能很好地表征磁性樣品。

稀土氧化物的XPS。a-l）分別為Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Er, Tm, Yb, Lu的氧化物^[4]

[1] http://dx.doi.org/10.1016/j.jallcom.2014.08.079.
[2] http://dx.doi.org/10.1016/j.surfrep.2016.02.001.
[3] https://doi.org/10.1016/j.optmat.2019.03.041
[4] DOI: 10.1038/NMAT3545.

         X射線光電子能譜（XPS）作為一種重要的表面分析方法，不僅可以對材料表面元素進(jìn)行定性和定量分析，還可以提供化學(xué)態(tài)信息，因此在科學(xué)技術(shù)的各個領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用。

         如果我們查找應(yīng)用 XPS 的研究領(lǐng)域，特別是 PHI XPS儀器，XPS應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域包括電子器件、催化劑、環(huán)境科學(xué)、聚合物和能量存儲。PHI XPS儀器具備了半導(dǎo)體量測所需的高通量能力、高效的荷電中和能力和高空間分辨率能力，以及獨(dú)特的解決方案，例如受控氣氛轉(zhuǎn)移、原位冷卻和加熱，以及原位電化學(xué)平臺。

        在過去五年中，XPS應(yīng)用在下面四個領(lǐng)域展現(xiàn)出了高速增長：燃料電池中電催化劑材料1-2、有機(jī)電子產(chǎn)品中的鈣鈦礦材料3-4 和電池材料5、柔性二極管中的新型紡織材料6和超級電容器7- 8，以及生物醫(yī)藥9。

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內(nèi)容來源：

https://www.phi.com/news-and-articles/active-application-xps.html