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更新时间:2026-01-30
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面分析是用于揭示材料表面数纳米至数微米深度范围内的元素组成、化学状态及微观结构的分析技术。该技术能够从原子尺度认识和说明材料表面的物理化学变化及其与表面有关的宏观性质的联系。 腐蚀、磨损、黏附及其他影响材料性能和可靠性的反应主要发生于材料表层,因此表面分析在材料评估、质量控制和失效分析中具有关键作用。 表面分析技术有数十种,而且新的分析方法仍在不断出现,在实际分析过程中,需综合考虑样品的具体位置、尺寸、材质状态以及分析目的,选取最适宜的分析方法。
表面分析仪器的类型和特征
表面分析仪器是一个庞大的家族,其核心目标是获取材料最外层(通常是几个原子层到几纳米深度)的化学成分、元素分布、化学态、电子结构和形貌信息。它们的工作原理各不相同,但都基于一个共同的前提:用某种激发源(探针)激发样品表面,然后分析从表面发射出来的“信号"。

我们可以用一个统一的框架来理解它们,并根据“探针"和“信号"的不同进行分类。

下表列举了几种典型的表面分析方法,从激发源、检测信号、定量能力、化学态分析可能性、灵敏度、绝缘样品处理方式及纵深分析能力等方面进行了对比。
| 分析方法 | EPMA (WDS)/SXES/EDS | AES | XPS | XRF | SIMS |
| 激发源 | 电子束 | 电子束 | X-ray | X-ray | 离子 |
| 信号 | 特征 X-ray | 俄歇电子 | 光电子 | 荧光 X-ray | 二次离子 |
| 可检测的元素 | Be ~ (WDS, EDS) Li (SXES, 无窗 EDS) | Li ~ | Li ~ | C ~ | H~ |
| 定量分析 | ○ | ○ | ○ | ○ | X |
| 化学状态 | △ | ○ | ○ | X | 有机化合物 |
| 检测深度 | 几µm | 几nm | 几nm | 几nm | 几nm |
| 灵敏度 | 几十ppm(质量浓度) | 几千ppm (原子浓度) | 几千ppm(原子浓度) | 几十 ppm(质量浓度) | 几ppm(原子浓度) |
| 绝缘体 | ○ (导电喷镀) | △ | ○ | ○ | ○ |
| 深度分析 | △ | ○ | ○ | X | ○ |
| 优势 | 定性分析 、定量分析 、广域~ 微区分析 | 微区分析 、化学态分析、 深度剖析 | 绝缘体分析、 化学态分析、 深度剖析 | 定性分析、 薄膜分析、 痕量元素分析 | 有机物分析、 痕量元素分析 |
| 挑战 | 化学态分析(强项SXES), 有机物分析 | 广域分析、 绝缘体分析、 有机物分析 | 微区分析、 痕量元素分析 | 微区分析 | 定性分析、 定量分析 |