Quang phổ điện tử quang điện tia X (XPS), còn được gọi là Quang phổ điện tử dùng cho phân tích hóa học (ESCA), là một trong những kỹ thuật phân tích bề mặt được sử dụng rộng rãi nhất. XPS cung cấp thông tin chi tiết về thành phần nguyên tố, trạng thái hóa học và cấu trúc điện tử của bề mặt vật liệu. Cả vật liệu cách điện và vật liệu dẫn điện đều có thể được phân tích, với vùng phân tích từ vài micromet đến vài milimet.
XPS dựa trên hiệu ứng quang điện, một hiện tượng được Albert Einstein giải thích vào năm 1905. Khi tia X chiếu vào bề mặt mẫu, năng lượng của tia X được truyền cho các electron trong nguyên tử. Nếu năng lượng đủ lớn, các electron sẽ bị bật ra khỏi vật liệu. Bằng cách đo động năng và số lượng của các electron phát ra, XPS có thể xác định những nguyên tố hiện diện trên bề mặt và cách chúng liên kết hóa học với nhau.
Một photon tia X tới có năng lượng đã biết (hν) tương tác với một electron ở lớp vỏ lõi của nguyên tử. Electron hấp thụ năng lượng của photon và bị bật ra khỏi nguyên tử với một động năng cụ thể (KE). Mối quan hệ này được mô tả bằng phương trình:
KE = hν – BE – Φ
-
- KE = Động năng của electron bật ra (được đo bằng máy quang phổ)
- hν = Năng lượng của photon tia X tới (đã biết)
- BE = Năng lượng liên kết của electron (đặc trưng cho từng nguyên tố và trạng thái hóa học của nó)
- Φ = Hàm công của máy quang phổ (một hằng số)
Vì năng lượng tia X (hν) đã biết và hàm công (Φ) là hằng số, động năng đo được (KE) cho phép xác định trực tiếp năng lượng liên kết (BE) của electron. Mỗi nguyên tố có một tập hợp năng lượng liên kết đặc trưng, đóng vai trò như một “dấu vân tay”. Sự dịch chuyển của năng lượng liên kết có thể cho biết trạng thái hóa học của nguyên tố, chẳng hạn như oxit, kim loại hoặc hợp chất hữu cơ.
