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XPS中的O 1s谱到底如何分析?

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做金属氧化物材料时,几乎无法绕开XPS中的O 1s谱。常常用O 1s分析表面氧物种,例如晶格氧、羟基氧、吸附氧、碳酸盐等。

对于金属氧化物来说,常见的氧来源包括晶格氧、表面羟基、碳酸盐以及少量有机含氧污染物。晶格氧通常位于较低结合能区域,羟基、碳酸盐和有机含氧物种多出现在较高结合能区域。

如图1所示,每种物种都具有不同的结合能范围,这一范围受金属与配体之间的成键作用影响,而这种成键作用又受到金属阳离子的尺寸和配位环境的影响。


图1 含氧化合物的O 1s 结合能范围

但需要先明确的是,O 1s谱反映的是材料表面氧原子的化学环境,而不是某一种固定物种的直接标签。


图2为LaSrCoO3的O 1s谱拟合

下面分享几点对于O 1s谱图的认识。

1、分峰不是越多越好

O 1s分析中最常见的问题,是把一个较宽的谱峰拆成很多组分,再分别赋予复杂的化学意义。事实上,分峰并不是越多越好。对于表面化学并不复杂的金属氧化物,两个或三个峰往往已经足够。若C 1s谱中没有明显碳酸盐信号,金属价态也比较单一,就没有必要强行加入多个高结合能氧峰。过度分峰虽然会让结果看起来更丰富,但可信度反而可能降低。

判断O 1s分峰是否合理,首先要看峰宽。在仪器分辨率、电荷补偿和数据质量正常的前提下,晶格氧的半峰宽常见于1.2-1.6 eV左右。羟基、硫酸盐、磷酸盐等表面物种由于化学环境更复杂,峰宽通常会稍大一些,大约在1.6-2.0 eV。如图3所示。


图3 LaSrCoO3的O1s物种的归类

以水合MgO和ZrO2为例,O 1s谱通常可以仅用晶格氧和表面羟基两个组分描述:晶格氧峰较窄,羟基峰略宽,这与不同氧物种的化学环境差异相符。这个例子说明,很多时候并不需要复杂分峰;只要谱形、峰位、峰宽和其他谱区信息能够自洽,简单拟合反而更可靠。

2、复杂氧化物不能只看O 1s

对于复杂氧化物,O 1s不能孤立解释。以钙钛矿氧化物为例,材料表面可能同时存在晶格氧、不同金属氧化物、羟基、碳酸盐以及表面偏析物种。此时,C 1s、金属芯能级和样品处理都必须一起考虑。

例如,528.5 eV附近、半峰宽约1.1 eV的峰可与钙钛矿晶格氧相关;529.5 eV附近、半峰宽约1.2 eV的峰可对应金属氧化物中的M-O键,如Co、Fe、Sr相关氧物种;531.0 eV附近、半峰宽约1.8 eV的峰可能由表面羟基和碳酸盐共同贡献;533.0 eV附近、半峰宽约1.9 eV的峰则可能与有机含氧物种、水相关信号或能量损失特征有关。

需要注意的是,531.0 eV附近的峰并不一定只代表羟基,533.0 eV附近的峰也不能简单写成吸附水,因为在超高真空测试条件下,分子水很可能已经脱附。

不同氧化物中晶格氧峰位也会存在差异。例如,SiO₂中的O 1s结合能通常高于TiO2,这与金属-氧键的共价性和离子性有关。Si-O键共价性较强,氧周围的电子环境与Ti-O键不同,因此O 1s结合能更高。一般来说,M-O键越偏离子性,氧上的负电荷越局域化,O 1s结合能可能越低;M-O键共价性增强时,结合能则可能升高。但这只能作为理解方向,实际峰位还会受到晶体结构、表面羟基化、电荷校准和最终态效应影响。

此外,一些材料的O 1s区域还可能受到相邻峰干扰。例如Sb 3d、Pd 3p、V 2p以及Na KLL俄歇峰都可能靠近或进入O 1s区域。如果不了解这些干扰,就可能把其他元素的信号误认为氧物种。遇到这种情况,不能只用O 1s单独拟合,而应结合对应元素的主峰、自旋轨道分裂、峰面积比例和标准谱图进行约束,如图4所示。


图4 混合的 Pd/PdO 体系(蓝色表示PdO,淡紫色表示金属Pd,绿色和红色分别表示氢氧化物和氧化物)

近常压XPS中,样品表面还可能存在水层,也可能有O2、CO、CO₂、NO等气相含氧分子,这些物种通常会在533 eV以上带来额外O 1s信号,也需要与表面吸附物和晶格氧信号区分开。

3、氧空位不能只靠O 1s判断

O 1s分析中争议最大的概念是氧空位。很多文章会把531-532 eV附近的峰称为“氧空位峰”,再用峰面积变化讨论氧空位浓度。但从XPS的基本原理看,O 1s检测的是氧原子的内层电子,而氧空位本身意味着该位置没有氧原子,也就没有O 1s电子可以被直接检测。因此,O 1s谱不能直接测量氧空位。

参考之前的文章:

更合理的做法,是通过间接证据讨论氧空位。图5展示了对TiO2单晶进行氩团簇刻蚀的结果,刻蚀条件为6 kV、2000个原子、每个循环20 s。叠加的Ti 2p谱清楚显示,刻蚀后形成了还原态Ti3+。然而,相应的O 1s谱却显示高结合能肩峰减弱,这与将该肩峰归属为“氧空位峰”的说法相矛盾。


图5 新鲜单晶 TiO₂(黑色)与团簇刻蚀后单晶 TiO₂(绿色)的叠加谱图:(a)Ti 2p谱;(b)O 1s谱。结果表明,随着还原态Ti物种的形成,通常归属于空位的谱峰区域同步减弱。

模拟结果表明,缺陷晶格氧的结合能变化应仅约为0.2 eV。因此,缺陷的定量不应单纯依赖O 1s高结合能峰,而应通过Raman等方法表征,或根据还原态金属物种的存在进行间接推断,例如Ti3+。需要注意的是,某些测试结果可能反映的是体相缺陷密度,而不完全是表面缺陷。

4、总结

因此,O 1s分峰的核心是峰数应尽量少,只有确实需要时才增加组分。峰位和半峰宽要符合已知化学环境,不能为了拟合好看而随意调整。O 1s不能孤立解释,必须结合C 1s、金属芯能级、样品暴露环境和参考谱。氧空位也不能简单等同于531–532 eV峰,更适合通过金属还原态和其他缺陷表征间接证明。

此外在论文写作中,不建议简单写成“529.5 eV为晶格氧,531.2 eV为氧空位,532.5 eV为吸附氧”。

更稳妥的表述是:低结合能峰与金属氧化物晶格氧相符;高结合能峰可能与表面羟基和碳酸盐有关;C 1s中的碳酸盐信号、金属价态变化以及样品暴露空气的事实共同支持这一判断。

参考文献:

[1] Vacuum 83 (2009): S69-S72.

[2] Journal of Physical Chemistry. C, Nanomaterials and Interfaces 120, no. 3 (2016): 1461-1471.

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[4] Journal of Physical Chemistry. B 106, no. 2 (2002): 504-507.

[5] Applied Surface Science 253, no. 3 (2006): 1489-1493.

[6] Surface and Interface Analysis 55, no. 11 (2023): 845-850.

[7] Surface Science Reports 46, no. 1-8 (2002): 1-308.

[8] Gaithersburg MD, 20899 (2000).

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