【知识探索】X射线光电子能谱（XPS）的基本原理及其在氧化镓材料分析中的应用

        X射线光电子能谱 (XPS, X-ray Photoelectron Spectroscopy)，也被称为化学分析电子能谱 (ESCA，Electron Spectroscopy for Chemical Analysis)，是材料表面表征领域的核心技术。它以光电效应为物理基础，可靠分析材料表层的元素组成以及元素化学态含量信息。

        XPS的核心逻辑基于爱因斯坦光电效应，当能量固定的X射线照射样品表面时，会激发原子内层电子逸出，通过测量出射光电子的动能，就能计算得到内层电子的结合能。对应的核心公式为：

        当固定激发源能量hv时，其光电子的能量Ek仅与元素的种类和所电离激发的原子轨道有关。因此，我们可以根据光电子的结合能定性分析物质的元素种类。通过测量样品中各个元素光电子结合能的大小来鉴别样品表面元素的化学组成、状态及含量，从而进行定性、定量分析。 

        XPS探测的是原子内层轨道电子，这类电子原本不参与价层成键，但会受到核外价电子分布的影响，原子化学环境改变带来的价电子密度变化，会直接改变对内层电子的屏蔽效应，最终体现为结合能的变化，这就是XPS能表征化学键的核心基础。

        XPS谱分为全谱和精细谱（高分辨谱），全谱分析一般用来确认样品中的元素种类和含量（H和He除外）。但是全谱分析所得到的信号较为粗糙，只是对元素进行粗略的扫描，确定元素有无以及大致含量。对于含量较低的元素而言，信噪比很差。通常，全谱分析只能得到表面组成信息，得不到准确的元素化学态和分子结构信息等。

        除了全谱外，XPS测试过程中常常对某些元素进行精细分析，精细分析获得的谱图称为精细谱。通过分析精细谱的峰位可以判断元素的化学状态。此外，可以通过对比处理前后样品表面元素的化学位移变化，来说明样品的表面化学状态或者是样品表面元素之间的电子相互作用。一般某种元素失去电子，其结合能会向高场方向偏移。

        目前，在氧化镓材料领域，如需要了解材料的物理特性，我们常常会测试其XPS，探究氧空位等。如下图：

Zhang J, Song Y, Cui W, et al. Geometric and Thermal Control of κ-to β-Ga2O3 Phase Engineering for High-Performance Solar-Blind Photodetector[J]. Materials Today Physics, 2026: 102105.

Yi Shen，Xin Qi，Yuan Li，Yunduo Guo，Qimin Huang，Wen Dai，Qilong Yuan，Lin Gu，Chengxi Ding，Wen-Jie Chen，Mingyang Yang，Zhenglin Jia，Cheng-Te Lin，Nan Jiang，Fangyuan Sun，Qingchun Jon Zhang，Hong-Ping Ma，Improving interfacial thermal conductivity by constructing covalent bond between Ga2O3 and SiC，Nature Communications，(2025) 16:10723